基于ABAQUS與YJK對某超高層建筑的非線性地震反應的分析

劉 雯

(安徽水利水電職業(yè)技術學院，安徽 合肥 231603)

框架-核心筒是超高層建筑中常用的一種結構形式，由于其良好的剛度，可用于抵抗地震作用。在地震作用下，結構構件處于非線性狀態(tài),如何通過現(xiàn)有軟件準確計算結構地震反應是目前設計工作的熱點問題之一。

本文以某超高層建筑為研究對象，采用ABAQUS和YJK軟件對結構在3種地震波作用下的非線性反應進行了分析，為超高層建筑的抗震設計提供參考。

1 超高層結構的模型建立

1.1 工程概況

某超高層商業(yè)中心大樓共29層，2層地下室，總結構高度88.15 m。項目位于八度區(qū),采用框架核心筒結構，標準層柱網(wǎng)及剪力墻布置如圖1所示。

圖1 柱網(wǎng)及剪力墻布置圖

1.2 模型的建立

在建筑結構動力分析時選取適當?shù)挠嬎隳Ｐ秃蛦卧苤匾?。目前動力分析的模型有剪彎模型、桿系模型、剪切模型等。本文采用剪彎模型，建立空間梁柱單元和殼單元，用ABAQUS軟件自帶的用戶材料子程序(UMAT)接口，通過Python編程語言編制簡化的模型本構，使動力計算過程中梁板柱與鋼筋的處理關系得到簡化處理。這樣處理的好處就是不必考慮鋼筋與混凝土的內(nèi)切與分離的組合式關系，在保證計算精度的前提下，結構計算時間大大縮短。

鋼筋混凝土在動力荷載的作用下，特別是在大震作用下會出現(xiàn)彈塑性變形，本文采用Clough退化雙線型曲線阻尼模型，考慮材料的非線性本構使結構模型動力的計算更接近實際的損壞變形，如圖2所示。

圖2 雙線型剛度退化滯回曲線

1.3 地震波選取

建筑物的地震反應與地震的持續(xù)時間等多方面的因素有關系。本文選取EL.Centro波、唐山地震波、汶川地震波進行計算。

美國EL.Centro波是南北向的地震波，是典型的Ⅱ、Ⅲ類場地的地震記錄。中國唐山地震波，地震峰值加速度為55.49gal。汶川地震波記錄時長較長，只截取其中20s的數(shù)據(jù)作為計算，峰值加速度為215gal。以上3條地震波除了唐山波時間間隔為0.01s，其他2條為0.02s的時間間隔。

2 模態(tài)分析

本文利用通用有限元分析軟件ABAQUS與專用結構分析軟件YJK以及經(jīng)驗公式法分別計算該大樓的動力學特性。其自振周期計算結果如表1所列。

表1 不同分析方法計算的周期對比

從表1可見，3種計算方法得到的第一自振周期均接近3.40s，ABAQUS計算所用的方法LDR向量迭代法計算的結果滿足精度的要求。所以用ABAQUS子程序開發(fā)的計算模型本構是可靠的，圖3是其前5階振型。

圖3 前5階振型圖

由計算結果可見X方向的平動是第1振型，Y方向的平動是第2振型，第3振型為扭轉振型，由于結構X方向剪力墻布置的數(shù)量要少于Y方向，造成X向剛度小于Y方向，所以在模態(tài)分析中首先激發(fā)的是X方向的振動。

3 地震反應分析

3.1 頂層水平位移的反應時程

利用ABAQUS的LDR向量迭代法，算出前20階的振型，用振型迭加法進行積分迭代計算，取迭代步長為0.02s以保證迭代精度。圖4-6為輸入的3種地震波得到的建筑物頂層平均位移時程曲線,頂層的平均最大位移及其發(fā)生的時刻如表2所列。由表2中可頂層X方向的位移最為顯著，Y方向位移相對X方向小得多。

表2 頂層位移最大值及其發(fā)生的時刻

圖4 EI-CENTRO波計算的頂層位移

圖5 唐山波計算的頂層位移

圖6 汶川波計算的頂層位移

4.2 頂層加速度的反應時程

頂層加速度在3種地震波分別作用下得出的時程曲線如圖7所示。輸入EI-CENTRO波、唐山波和汶川波對應的頂層加速度最大值分別是347.2gal、57.6gal和324gal。

(a) EI-CENTRO波計算的頂層加速度

(b) 唐山波計算的頂層加速度

(c) 汶川波計算的頂層加速度

由圖7可見，建筑物頂層的加速度峰值比輸入的峰值加速度大很多，在設計中可以采取相應的一些減震隔震措施抵消部分加速度的峰值。

4.3 水平最大位移沿樓層高度的變化

建筑物頂部最大位移在3種地震波的作用下其結果如圖8所示。

由圖8可見，3條地震波計算的出的頂層最大位移EI-CENTRO為37.4 mm、唐山波34.2 mm和汶川波32.4 mm，與ABAQUS表2計算的最大位移基本接近，其中汶川波結果的偏差最大，為8.3%。

圖8 YJK計算水平最大位移沿樓層的變化

4.4 層間位移角沿樓層高度的變化

層間位移角是層間相對位移與樓層高度的比值，由圖9可見，層間位移角在第8層出現(xiàn)了最大值，但是EI-CENTRO波的層間位移角最大值出現(xiàn)在第16層。均小于規(guī)范要求，是安全的。

圖9 YJK計算水平位移角沿樓層的變化

4.5 主要影響因素

(1)阻尼系數(shù)對地震反應的影響。通過人為控制阻尼系數(shù)的大小，可以有效調(diào)控地震力的大小。比如當阻尼系數(shù)為0.05時EI-CENTRO波計算的頂層最大位移為38.2 mm，當阻尼系數(shù)調(diào)整為0.06時頂層最大位移降為29.5 mm。所以可以通過設置阻尼器來減小地震反應。

(2)地震波維度的影響。當只設置1個主方向地震波時，主方向的地震反應最大，次方向地震反應較小。所以抗震規(guī)范規(guī)定在計算二維地震波時, 次方向在輸入地震波的地震能量大小不小于主方向的80%。

5 結 論

通過對計算結果分析，得到結論如下：

(1)利用ABAQUS軟件來計算建筑物的非線性地震反應是可行的，結構計算軟件YJK能較好的模擬建筑物在地震作用下的變形。

(2)為了更好的模擬建筑物的平移和扭轉的耦合效應，可以通過建立三維模型來實現(xiàn)。

(3)該建筑物未存在薄弱層，但是在8層層間位移角出現(xiàn)最大值，說明可能存在局部應力集中的現(xiàn)象，設計時應引起注意。