基于OpenSees的鋼框架結構地震動特性分析

龔克

摘 要 本文借助于有限元軟件OpenSees計算平臺，以鋼框架結構為數值模型，建立了理想狀態的隔震模型。在隔震模型中，以零長度單元來模擬隔震裝置，根據結構場地條件，在地震庫中分別選取了數條近斷層和遠斷層地震動信號，通過近遠層地震動的對比分析，得出以下結論：隔震結構由于隔震裝置的耗能作用，在抗震性能上要優于非隔震結構。隔震結構的抗震優越性隨著地震動強度的增加逐漸變得更明。這一實驗對發展隔震結構建筑設計思想有一定的參考價值。

關鍵詞 OpenSees;鋼框架結構;地震動特性;動力響應

1概述

框架結構是以梁和柱組成的一種承重結構，其中梁和柱之間以鉸接或者剛接的方式連接。框架結構在工程中，通過梁和柱的連接組成框架來承擔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。隨著鋼鐵制造業的發展，鋼框架結構的使用范圍越來越廣泛。

鋼筋框架結構在地震作用下，主要受平動、剪切、轉動的影響。在強震作用下鋼筋框架結構持續受到地震波影響，其構件也受到反復荷載作用，其狀態也從線彈性進入非線性，當受到復雜應力作用各項內力也會發生耦合現象，隨后某些承載力薄弱的構件將發生剪切、彎曲破壞然后失效退出工作，其外在表征為構件的斷裂、變形、位移、轉動以及接觸一碰撞等現象進而引起整體結構的倒塌破壞。我國學者在鋼筋混凝土抗震分析方面已經做了大量的工作，并取到了很可觀的研究成果，而對鋼框架結構的研究還不夠飽滿：

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作用下的力學特性，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（鋼筋混凝土框架結構）在強震作用下的連續倒塌情況，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用戶子程序實現材料失效模擬單元生死，基于混凝土彈塑性損傷本構對鋼筋混凝土樓板的剛度削弱及失效進行模擬，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倒塌過程進行仿真模擬。

本文的主要框架如下：首先介紹了框架結構的建模情況，借助于OpenSees軟件計算平臺，合理選擇鋼筋的應力-應變本構關系，建立數值模型，通過非線性動力時程分析，探究了隔震阻尼器的影響作用。

2鋼框架結構地震動特性建模

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

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

3主結構梁柱單元

空間彈性梁柱單元有6個自由度，其中3個轉動3個平動，能夠較好的模擬三維框架結構在彈塑性階段的受力特性。根據截面特性、材料性能等參數，對梁柱單元進行定義，本文選取了Steel02模型考慮了鋼筋的應變硬化，由于其通過顯函數表達應力應變關系，提高了計算精度并能夠較好的模擬Bauschinger效應，為較好的模擬隔震裝置的工作性能以及先關文獻的參考值，設計初始剛度為2000kN/m，屈服力為150000kN，屈服剛度比為0.15。

4鋼框架結構地震動特性分析

采用OpenSees計算平臺進行動力數值分析之前先進行靜力分析，以此能夠獲得結構的自身特性，然后進行動力時程分析。鑒于OpenSees軟件在前后處理方面的不足性，在進行數據處理時需要借助MATLAB軟件，通過MATLAB求解需要分析的內容。

根據《建筑抗震設計規范》，本文數值模型建于Ⅲ類場地上，在地震庫中按場地分類條件分別選取遠斷層、近斷層地震動，進行動力時程分析。

將選取的地震動調幅為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，計算對比兩種結構的震動響應，主要頂層節點的位移響應、結構最大層間位移響應、結構首層內力響應等。以下為結構的響應敘述：

在峰值為0.1g的H-SP地震動作用下結構的位移響應，由于隔震裝置的存在減弱了結構的整體剛度，使隔震結構頂點的位移在個別時間點上大于非隔震結構的位移;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構的地震動能量。通過計算發現，隔震結構的頂點水平向位移均值僅為非隔震結構的65.46%，最大層間位移均值減小了26.75%。

關于地震動作用下的動力響應，結構頂層節點漂移率能夠反映結構抗震性能的整體性，結構正常使用時，不只需要滿足極限承載力，還需要滿足舒適性，結構的頂點漂移率反映了結構在震動過程結構頂點位移相對地面位移的變化幅度，不難發現，在H-SP地震動作用下，隔震結構的整體穩定性能要優于非隔震結構。經過計算發現，結構首層的層間位移角最大，兩類結構之間的最大差異達到35%。

5結束語

本文通過在OpenSees平臺建立數值計算模型，并根據場地條件分別對近斷層和遠斷層地震動序列進行模擬，并對結構的位移響應和首層柱軸力響應以及層間位移角等方面的分析計算，得出以下結論：

（1）斷層的地震動響應都有相似的規律，既隔震結構由于隔震裝置的耗能作用，在抗震性能上要優于非隔震結構。

（2）隔震結構的抗震優越性隨著地震動強度的增加逐漸變得更明顯，這對發展隔震結構建筑設計思想有一定的參考價值。

參考文獻

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

[2] 閤東東，周忠發，苗啟松.地震作用下鋼筋混凝土框架結構連續倒塌數值模擬[J].土木工程學報，2014，（s2）：50-55.