高層鋼框架混合結構抗震彈塑性時程分析

（廣州市設計院 廣東廣州 510620）

高層鋼框架混合結構抗震彈塑性時程分析

邵 駿

（廣州市設計院 廣東廣州 510620）

本文對高層建筑結構彈塑性時程分析方法的產生背景及分析方法進行了簡要介紹，并結合ABAQUS 軟件對某高層鋼框架混合結構進行了抗震彈塑性時程分析，研究其在地震作用下結構屈服和破壞情況。

高層鋼框架混合結構；彈塑性時程分析；ABAQUS

1 彈塑性時程分析背景及方法

現行的抗震設計規范已經把彈塑性(非線性)時程分析方法納入條文，比如說在罕遇地震作用下須進行薄弱層彈塑性變形計算的結構，除了不超過12層且層剛度無突變的混凝土框架、單層混凝土柱廠房可以采用簡化的方法以外，其他的都采用靜力彈塑性分析方法或者彈塑性時程分析方法。近年來, 高層鋼框架混合結構在我國高層建筑結構中得到了較為廣泛的應用, 它既能發揮鋼材強度高, 截面積小,可以建造大跨度、大空間結構的優點; 又能充分利用混凝土核心筒的抗推剛度大的特點。

自20世紀60年代以來，許多學者致力于非線性時程分析方法的研究，將建筑物作為非線性振動系統，直接輸入地震波，用逐步積分法求解依據結構非線性恢復力模型特性建立的動力方程，直接計算結構的位移、速度及加速度時程反應，從而描述結構在強震作用下，在彈性和非彈性階段的內力變化，以及結構構件逐步開裂、屈服、損壞直至倒塌的全過程，從而為結構抗震設計提供依據。

2 算例分析

2.1空間有限元模型建立

依據《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3-2010)、《高層民用建筑鋼結構技術規程》及《建筑抗震設計規范》(GB 50011-2010)等現有規范、規程,設計一座13層鋼框架-混凝土框架結構作為試驗模型的原型結構,采用ABAQUS有限元軟件對其進行分析,結構各層層高4m,平面尺寸為24m×24m,外鋼框架均采用箱型截面,鋼柱采用600mm×600mm,梁采用500mm×500mm,鋼筋混凝土樓板厚200mm,10@150雙向雙層配筋。鋼材為Q235鋼,混凝土強度等級為C35。混凝土剪力墻單向開洞,門洞口尺寸為2000mm×2800mm。其結構平面布置圖如下圖所示：

本模型混凝土的本構關系采用ABAQUS中提供的混凝土損傷塑性本構關系，本模型中樓板與核心筒中鋼筋采用ABAQUS中的鋼筋層模擬。開裂、損傷與剛度恢復通過受拉(dt)、受壓(dc)損傷因子、剛度恢復因子來模擬,其值均在0～1之間變化,0代表無損傷,1代表完全損傷開裂。ABAQUS后處理中顯示這些因子數值和分布情況,可以知道混凝土裂縫發展和分布。模型中框架、鋼筋的本構關系采用了標準金屬塑性模型,屈服強度235MPa。鋼筋混凝土與鋼材本構中參數數值可參照文獻采用。

單元選擇單元的選擇是高層建筑動力分析的關鍵。本文采用三維空間有限元模型對高層鋼-混凝土混合結構模型進行空間整體分析。框架柱、框架梁采用三維線形梁單元(B31);混凝土剪力墻和樓板采用線形減縮積分的四邊形三維殼單元(S4R),這兩種單元適用于廣泛的問題。且可以在ABAQUS中顯式和隱式求解器中通用。

模型中采用ABAQUS中的復合阻尼,即對鋼材和混凝土分別定義一個臨界阻尼比,材料阻尼矩陣采用Rayleigh阻尼。

2.2結構自振特性分析

采用ABAQUS/Standard中提供Lanczos特征提取法方法求解了結構的前30階特征值。其中列出前6階自振頻率及周期如表1所示。結構模型的第1階振型呈彎剪型,結構底部7層以彎曲型為主,上部8層以剪切型為主。

表1 結構的自振特性

2.3結構屈曲與破壞情況

在所選用的兩條地震波作用下,結構屈服、破壞的情況以寧河波作用下最為嚴重,剪力墻屈服、破壞部位較多,在寧河波7度罕遇和8度罕遇地震作用情況下鋼柱發生了屈曲,而在E.lCentro波作用下結構反應較弱。以本模型在寧河波不同烈度地震作用下的反應為例,對混合結構在彈塑性時程分析過程中,混凝土剪力墻、樓板裂縫開展與破壞情況以及鋼架的屈服情況總結如下：

(1)7度罕遇地震作用下,混凝土核心筒的第3層首先出現裂縫,其次向下第2層連梁、向上第4層連梁及混凝土剪力墻與基礎連接部位出現裂縫,之后向下、向上各層連梁相繼出現開裂,之前各裂縫進一步發展,第3層首先發生破壞,然后底層剪力墻發生破壞,在地震反復荷載作用下,其余各層連梁及連梁與剪力墻連接的門洞口部位裂縫大量開展。當地震作用結束時,底部2層范圍內剪力墻破壞嚴重,3層剪力墻部分受損;寧河波220gal峰值加速度地震輸入下,外部鋼框架在1.30s時框架底層角柱達到最大應力179.5MPa,未發生屈曲。

(2)8度罕遇地震作用下,混凝土核心筒的第3層連梁首先出現裂縫,其次是第2層連梁、第4層連梁,第5層連梁及混凝土剪力墻與基礎連接部位出現裂縫,之后向下、向上各層連梁相繼出現開裂,之前各裂縫進一步發展,第3層首先出現破壞,然后底層剪力墻發生破壞,在地震反復荷載作用下,各層連梁相繼發生破壞。地震作用結束時,底部3層剪力墻全部受損,各層連梁破壞嚴重,樓板與核心筒連接部位產生大量裂縫,樓板產生較大塑性變形;寧河波400gal峰值加速度地震輸入下,外部鋼框架在1.16s時框架底層角柱首先出現屈服,1.28s達到最大應力300.4MPa,之后底層邊柱及部分樓層鋼梁屈服。

3 結論

(1)高層結構在地震作用下與所承受的地震波的頻譜特性有密切關系,縱使在相同的峰值加速度作用下,隨著地震波不同,結構反應也相差很大。

(2)鋼框架在中震與大震作用下均處于彈性階段。在大震作用下,首層框架底柱開始屈服出現塑性鉸,然后中部梁開始屈服出現塑性鉸,混合結構中混凝土核心筒的連梁部位往往先于底部剪力墻發生破壞而成為結構的薄弱環節。

[1]沈蒲生, 孟煥陵. 框筒結構梁柱截面基于剪力滯最小的合理高度[ J] . 建筑科學與工程學報, 2005, 22( 3)： 16-19.

[2]郭軍慶, 王雪韻, 雷自學, 等. 加芯混凝土框架柱軸壓比限值試驗研究[ J] .建筑科學與工程學報, 2005, 22( 4)：45- 49.

[3]林宏偉, 石志飛. 鋼筋混凝土框架梁- 剪力墻平面外連接節點的力學分析[ J]. 建筑科學與工程學報, 2007, 24( 3)： 56- 60.

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1007-6344（2017）04-0308-01

邵駿（1990.07-），男，籍貫：江西省九江市，碩士研究生，研究方向：建筑與土木工程。