基于ABAQUS 分析鋼結(jié)構(gòu)倒塌過程能量之變化

劉 霞，陳芊奇

江西工業(yè)工程職業(yè)技術(shù)學院，江西 萍鄉(xiāng) 337055

1 引言

在抗震地區(qū)，我國有很多方法和規(guī)范通過鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計來減少結(jié)構(gòu)的倒塌概率。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能化設(shè)計可以根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)類型和不規(guī)則性，結(jié)構(gòu)構(gòu)件在整個結(jié)構(gòu)中的作用、使用功能和附屬設(shè)施功能的要求、投資大小、震后損失和修復(fù)難易程度等綜合分析達到抗震目的。但強地震作用下，仍然還是有相關(guān)鋼結(jié)構(gòu)的倒塌情況發(fā)生，所以鋼框架的失穩(wěn)狀態(tài)是需要研究的。鋼框架結(jié)構(gòu)倒塌是一個復(fù)雜的過程，研究鋼框架結(jié)構(gòu)從開始失穩(wěn)，甚至發(fā)生倒塌的過程。在以前的研究中，Vamvatsikos D 等人（2002）［1］使用增量動力分析（IDA）方法進行結(jié)構(gòu)倒塌預(yù)測。繪制IDA 曲線，即IM 和DM（彈性譜加速度和最大層間位移角）。基于IM 準則，IDA 曲線斜率大于初始斜率的20%則認為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)；基于DM 準則，最大層間位移角大于損傷極限10%時結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。Lignos 等人［2］2008年利用一個四層鋼框架倒塌的振動臺實驗，提取了一系列數(shù)據(jù)并對其進行處理，并且首次提出了基于能量的“倒塌準則”。為了更好的描述鋼框架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)狀態(tài)下的能量變化，我們對比一個鋼框結(jié)構(gòu)的倒塌過程中的能量變化來分析結(jié)構(gòu)倒塌過程中能量的變化。

2 實驗方法

數(shù)值模擬方法成為結(jié)構(gòu)倒塌分析的一種重要方式。模擬結(jié)構(gòu)倒塌的數(shù)值方法主要有非線性有限元法和離散元法，在本節(jié)中主要采用非線性有限元分析鋼框架結(jié)構(gòu)。利用ABAQUS 建立四層兩跨鋼框架結(jié)構(gòu)的簡單模型，并分析鋼框架結(jié)構(gòu)倒塌過程中的能量變化。因為鋼框架結(jié)構(gòu)主要是梁柱骨架承重，模型采用纖維梁單元表示梁柱［3］，并根據(jù)“強柱弱梁”的原則和滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范要求進行設(shè)計。

3 模型建立

第一層高4m，其余層高3.6m，跨長9m。為了模擬板的厚度每一層加上400kN 的質(zhì)量。為了分析鋼框架結(jié)構(gòu)在地震作用下主要能量的變化對模型進行了簡化處理。建好模型進行材料的定義，彈性模型210GPa，泊松比0.3，屈服應(yīng)力355.6MPa，定義鋼框架結(jié)構(gòu)損傷。輸入1994 年美國Canoga Park 地震波地震波進行動力時程分析，主要采用顯式分析方法分析［4］。在ABAQUS 后處理中提取變化的能量，采用ABAQUS 的二次開發(fā)提取重力做功［5-6］。

4 結(jié)果分析

根據(jù)ABAQUS 后處理分析可以知道該框架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了失穩(wěn)，提取結(jié)構(gòu)能量輸出數(shù)據(jù)可以知道，發(fā)生了能量變化的有外力做功、內(nèi)能、動能、塑性耗能、應(yīng)變能、重力做功、輸出組的總能量、粘性耗散的能量［7］，能量曲線如圖1（a）所示。

四層鋼框架結(jié)構(gòu)倒塌前發(fā)生最大的最大的能量變化最大的是外力做功、內(nèi)能、動能、塑性耗能、重力做功。外力做功主要是地震的作用，外力做功能量最大可達到1.85E8J，在10.5s 時出現(xiàn)失穩(wěn)，動能約為1.29E7J，重力做功約為1.16E7J。

圖1 鋼框架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)能量變化

減小地震加速度使得四層鋼框架結(jié)構(gòu)不發(fā)生倒塌，如圖2所示提取ABAQUS 后處理能量變化。結(jié)構(gòu)在地震作用下未發(fā)生失穩(wěn)，內(nèi)部能量變化最大的是外力做功、內(nèi)能、塑性耗能。地震外力做功約為5.7E7J，在10.5s 時，動能約為2.34E6J，重力做功約為1.32E6J。圖2 與圖1 進行對比，鋼框架結(jié)構(gòu)動能和重力做功出現(xiàn)了最明顯的區(qū)別。在地震作用下，鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)能、外力做功和塑性耗能依然保持較高的能量。

圖2 鋼框架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)能量變化

5 結(jié)語

本文主要采用ABAQUS 模型進行有限元分析，并且采用了ABAQUS 二次開發(fā)提取重力做功進行對比分析。本文對結(jié)構(gòu)倒塌時能提取到的能量均進行了對比分析，對于鋼框架倒塌方面從能量方面預(yù)測和分析提供依據(jù)，也能與傳統(tǒng)的IDA 分析進行對比。