伸臂桁架簡化模型滯回曲線的模擬研究

李菁

（青海大學(xué)土木工程學(xué)院，西寧810016）

1 引言

近年來，超高層建筑發(fā)展迅速，建筑的高度不斷被刷新，水平作用成為結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要因素。如何有效控制高層建筑水平側(cè)移成為工程設(shè)計當(dāng)中的關(guān)鍵難題。近年來，越來越多的超高層建筑采用設(shè)置伸臂桁架，將外圍框架與核心筒聯(lián)系起來【1～5】，通過外框架的軸向變形來承擔(dān)結(jié)構(gòu)的傾覆力矩，提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)和抗震能力【6】。

當(dāng)然，循環(huán)荷載下伸臂桁架的力學(xué)性能自然是很多研究者熱衷研究的對象【7，8】。在伸臂桁架的滯回曲線研究當(dāng)中，各國學(xué)者已經(jīng)得出了大量的結(jié)論。但是，伸臂桁架力學(xué)性能受很多因素的影響，非常復(fù)雜，到現(xiàn)在還沒有完全掌握，一些關(guān)鍵問題也沒有解決，筆者應(yīng)用ABAQUS 軟件提供的彈性本構(gòu)模型、彈性損傷本構(gòu)模型，對伸臂桁架簡化模型進行了完全彈性模擬和塑性損傷滯回曲線模擬，并進行了對比。伸臂桁架連接核心筒與框架柱如圖1 所示。

圖1 伸臂桁架連接核心筒與框架

2 試驗設(shè)計

2.1 簡化模型與加載方式

簡化模型上下弦及腹桿均采用鋼材桁架結(jié)構(gòu)。鋼材牌號為Q345，材性試驗確定其屈服強度為388MPa，極限強度 為479MPa，延伸率為34%。試件尺寸及加載方式如圖2、圖3所示。

圖2 普通伸臂桁架簡化模型

圖3 普通伸臂桁架加載方式

2.2 加載制度

模擬設(shè)置左端固定，A 點為往復(fù)位移控制加載點。其位移大小分別為1mm、2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm、26mm、28mm、30mm、32mm、34mm、36mm、38mm、40mm、42mm、44mm、50mm。每級荷載均循環(huán)2 次，共48 次循環(huán)。加載制度如圖4 所示。

2.3 荷載- 位移滯回曲線

彈性階段普通伸臂桁架彈性階段荷載-位移滯回曲線如圖5 所示。

圖4 試驗加載制度

圖5 普通伸臂桁架荷載- 位移滯回曲線

由圖5 可知普通伸臂桁架的峰值承載力為1 629kN，峰值位移為49mm。

屈曲階段時普通伸臂桁架的荷載-位移滯回曲線如圖6所示。

圖6 普通伸臂桁架荷載- 位移滯回曲線

由圖6 可知，峰值承載力為1 569kN，峰值位移為17mm。隨后位移達到24.9mm 時，承載力下降為1 059kN，僅為峰值承載力的67%。

3 結(jié)語

本文對伸臂桁架的模擬研究得出以下結(jié)論：

1）通過有限元分析彈性和屈曲階段，2 種滯回曲線在峰值位移和峰值承載力上存在很大差異。屈曲階段的峰值明顯小于彈性階段的。其變小的規(guī)律與彈性階段的應(yīng)力應(yīng)變曲線相關(guān)。

2）從圖形可以看出，在循環(huán)荷載下，不考慮屈曲的模型剛度和強度不會明顯下降，考慮屈曲的模型引起了剛度和強度降低。

3）考慮鋼材屈曲的分析結(jié)果比不考慮鋼材屈曲的分析結(jié)果更加符合實際。