基于OpenSees的鋼框架結(jié)構(gòu)地震動特性分析

龔克

摘 要 本文借助于有限元軟件OpenSees計(jì)算平臺，以鋼框架結(jié)構(gòu)為數(shù)值模型，建立了理想狀態(tài)的隔震模型。在隔震模型中，以零長度單元來模擬隔震裝置，根據(jù)結(jié)構(gòu)場地條件，在地震庫中分別選取了數(shù)條近斷層和遠(yuǎn)斷層地震動信號，通過近遠(yuǎn)層地震動的對比分析，得出以下結(jié)論：隔震結(jié)構(gòu)由于隔震裝置的耗能作用，在抗震性能上要優(yōu)于非隔震結(jié)構(gòu)。隔震結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)越性隨著地震動強(qiáng)度的增加逐漸變得更明。這一實(shí)驗(yàn)對發(fā)展隔震結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)思想有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 OpenSees;鋼框架結(jié)構(gòu);地震動特性;動力響應(yīng)

1概述

框架結(jié)構(gòu)是以梁和柱組成的一種承重結(jié)構(gòu)，其中梁和柱之間以鉸接或者剛接的方式連接?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在工程中，通過梁和柱的連接組成框架來承擔(dān)外部的水平荷載和豎向荷載，墻體只是作為填充物存在，并不起承重效果。隨著鋼鐵制造業(yè)的發(fā)展，鋼框架結(jié)構(gòu)的使用范圍越來越廣泛。

鋼筋框架結(jié)構(gòu)在地震作用下，主要受平動、剪切、轉(zhuǎn)動的影響。在強(qiáng)震作用下鋼筋框架結(jié)構(gòu)持續(xù)受到地震波影響，其構(gòu)件也受到反復(fù)荷載作用，其狀態(tài)也從線彈性進(jìn)入非線性，當(dāng)受到復(fù)雜應(yīng)力作用各項(xiàng)內(nèi)力也會發(fā)生耦合現(xiàn)象，隨后某些承載力薄弱的構(gòu)件將發(fā)生剪切、彎曲破壞然后失效退出工作，其外在表征為構(gòu)件的斷裂、變形、位移、轉(zhuǎn)動以及接觸一碰撞等現(xiàn)象進(jìn)而引起整體結(jié)構(gòu)的倒塌破壞。我國學(xué)者在鋼筋混凝土抗震分析方面已經(jīng)做了大量的工作，并取到了很可觀的研究成果，而對鋼框架結(jié)構(gòu)的研究還不夠飽滿：

2013年宿專青[1]通過對削弱性鋼框架建模分析鋼框架在裝機(jī)作用下的力學(xué)特性，以及在不同撞擊情況下給出針對性的建議。

2014年，閤東東等人[2]基于有限元軟件ABAQUS模擬了某塔樓裙房（鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)）在強(qiáng)震作用下的連續(xù)倒塌情況，基于模擬纖維梁單元的混凝土和鋼筋及樓板鋼筋的動力單軸本構(gòu)用戶子程序?qū)崿F(xiàn)材料失效模擬單元生死，基于混凝土彈塑性損傷本構(gòu)對鋼筋混凝土樓板的剛度削弱及失效進(jìn)行模擬，采用接觸單元考慮倒塌過程中所存在的單元碰撞問題。結(jié)果表明，采用以上方法能較好地對鋼筋混凝土在地震作用下的連續(xù)倒塌過程進(jìn)行仿真模擬。

本文的主要框架如下：首先介紹了框架結(jié)構(gòu)的建模情況，借助于OpenSees軟件計(jì)算平臺，合理選擇鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系，建立數(shù)值模型，通過非線性動力時(shí)程分析，探究了隔震阻尼器的影響作用。

2鋼框架結(jié)構(gòu)地震動特性建模

采用OpenSees模擬計(jì)算平臺，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的合理建議，根據(jù)研究問題的關(guān)注點(diǎn)，對所有梁柱單元都采用空間彈性梁單元（Beam Column Element）模擬，以梁柱單元鏈接節(jié)點(diǎn)，采用零長度單元（Zero-Length Element）模擬阻尼器，并根據(jù)有無隔震裝置建立了兩種地震動數(shù)值計(jì)算模型。

本文的研究都是基于鋼框架結(jié)構(gòu)的分析模型，將作用在結(jié)構(gòu)的荷載簡化為恒載2.5kN/m2和活載2.0kN/m2，未考慮實(shí)際工程的溫度效應(yīng)，在非隔震數(shù)值模型中假定結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間為剛性連接既不考慮滑移效應(yīng)。結(jié)構(gòu)阻尼采用阻尼比為0.05的瑞利阻尼模型。

3主結(jié)構(gòu)梁柱單元

空間彈性梁柱單元有6個(gè)自由度，其中3個(gè)轉(zhuǎn)動3個(gè)平動，能夠較好的模擬三維框架結(jié)構(gòu)在彈塑性階段的受力特性。根據(jù)截面特性、材料性能等參數(shù)，對梁柱單元進(jìn)行定義，本文選取了Steel02模型考慮了鋼筋的應(yīng)變硬化，由于其通過顯函數(shù)表達(dá)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，提高了計(jì)算精度并能夠較好的模擬Bauschinger效應(yīng)，為較好的模擬隔震裝置的工作性能以及先關(guān)文獻(xiàn)的參考值，設(shè)計(jì)初始剛度為2000kN/m，屈服力為150000kN，屈服剛度比為0.15。

4鋼框架結(jié)構(gòu)地震動特性分析

采用OpenSees計(jì)算平臺進(jìn)行動力數(shù)值分析之前先進(jìn)行靜力分析，以此能夠獲得結(jié)構(gòu)的自身特性，然后進(jìn)行動力時(shí)程分析。鑒于OpenSees軟件在前后處理方面的不足性，在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)需要借助MATLAB軟件，通過MATLAB求解需要分析的內(nèi)容。

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，本文數(shù)值模型建于Ⅲ類場地上，在地震庫中按場地分類條件分別選取遠(yuǎn)斷層、近斷層地震動，進(jìn)行動力時(shí)程分析。

將選取的地震動調(diào)幅為0.1g、0.3g、0.5g，分別輸入的非隔震模型和帶隔震模型中。在各種工況下，計(jì)算對比兩種結(jié)構(gòu)的震動響應(yīng)，主要頂層節(jié)點(diǎn)的位移響應(yīng)、結(jié)構(gòu)最大層間位移響應(yīng)、結(jié)構(gòu)首層內(nèi)力響應(yīng)等。以下為結(jié)構(gòu)的響應(yīng)敘述：

在峰值為0.1g的H-SP地震動作用下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，由于隔震裝置的存在減弱了結(jié)構(gòu)的整體剛度，使隔震結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的位移在個(gè)別時(shí)間點(diǎn)上大于非隔震結(jié)構(gòu)的位移;但在整體上，隔震裝置吸收了大量的地震能，大大減小了輸入到上層結(jié)構(gòu)的地震動能量。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隔震結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)水平向位移均值僅為非隔震結(jié)構(gòu)的65.46%，最大層間位移均值減小了26.75%。

關(guān)于地震動作用下的動力響應(yīng)，結(jié)構(gòu)頂層節(jié)點(diǎn)漂移率能夠反映結(jié)構(gòu)抗震性能的整體性，結(jié)構(gòu)正常使用時(shí)，不只需要滿足極限承載力，還需要滿足舒適性，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)漂移率反映了結(jié)構(gòu)在震動過程結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移相對地面位移的變化幅度，不難發(fā)現(xiàn)，在H-SP地震動作用下，隔震結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性能要優(yōu)于非隔震結(jié)構(gòu)。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)首層的層間位移角最大，兩類結(jié)構(gòu)之間的最大差異達(dá)到35%。

5結(jié)束語

本文通過在OpenSees平臺建立數(shù)值計(jì)算模型，并根據(jù)場地條件分別對近斷層和遠(yuǎn)斷層地震動序列進(jìn)行模擬，并對結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)和首層柱軸力響應(yīng)以及層間位移角等方面的分析計(jì)算，得出以下結(jié)論：

（1）斷層的地震動響應(yīng)都有相似的規(guī)律，既隔震結(jié)構(gòu)由于隔震裝置的耗能作用，在抗震性能上要優(yōu)于非隔震結(jié)構(gòu)。

（2）隔震結(jié)構(gòu)的抗震優(yōu)越性隨著地震動強(qiáng)度的增加逐漸變得更明顯，這對發(fā)展隔震結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)思想有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 宿專青.削弱型鋼框架在沖擊荷載作用下的數(shù)值分析[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.

[2] 閤東東，周忠發(fā)，苗啟松.地震作用下鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌數(shù)值模擬[J].土木工程學(xué)報(bào)，2014，（s2）：50-55.