基于ABAQUS的鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

李飛 ，趙毅 ，翟帥帥

（中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引言

鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)目前在高層建筑工程領(lǐng)域中應(yīng)用越來越廣泛[1-3]，而框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析是鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)分析研究的熱點(diǎn)之一，但由于地震動(dòng)強(qiáng)度的不確定性，直接導(dǎo)致鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)在未來可能進(jìn)入彈塑性變形階段的不確定性?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在線性階段和彈塑性階段的反應(yīng)不同。這不僅表現(xiàn)在框架結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)力特性在非線性反應(yīng)階段時(shí)時(shí)刻刻都發(fā)生著變化，而且還表現(xiàn)在框架結(jié)構(gòu)在線性階段與非線性階段的動(dòng)力特征截然不同[4-6]。本文采用ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬，探討鋼管混凝土柱-鋼梁框架結(jié)構(gòu)的振型與模態(tài)，分析框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

2 有限元模型的選取

圖1 框架結(jié)構(gòu)試件尺寸示意圖

本文采用ABAQUS有限元軟件，選取了杜國鋒，徐禮華[7]的鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震力作用下的試驗(yàn)作為研究對(duì)象，試件模型總設(shè)8層，每層高度350mm，兩開間及進(jìn)深均為600mm，鋼管直徑68mm，內(nèi)部填充C30的碎石混凝土，樓板采用20mm厚的C20現(xiàn)澆混凝土板，內(nèi)配置直徑2.2mm的鍍鋅鐵絲，鋼管與H40×45×2.5×3的鋼梁焊接，模型總質(zhì)量760kg。鋼管混凝土柱—鋼梁框架結(jié)構(gòu)試件尺寸如圖1所示，以及相應(yīng)的材料抗壓強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度平均值如表1所示。

表1

本模型與原結(jié)構(gòu)的函數(shù)關(guān)系以及主要材料參數(shù)的相似關(guān)系如表2所示

材料抗壓強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度平均值 表2

3 單元類型的選取

事實(shí)上，ABAQUS的所有單元均可用于動(dòng)態(tài)分析，選取單元的一般原則與靜力分析相同。為了滿足計(jì)算時(shí)間耗損及精度的要求，鋼管混凝土和鋼梁均采用Beam單元來模擬，由于各層樓板均配置有直徑2.2mm的鍍鋅鐵絲網(wǎng)，因此樓板均采用分層殼體單元。在ABAQUS中，分層殼的實(shí)現(xiàn)是通過在殼體單元厚度截面設(shè)置積分點(diǎn)數(shù)目，通過Rebar Layers配置鋼筋實(shí)現(xiàn)。

本章主要是應(yīng)用鋼管混凝土統(tǒng)一理論對(duì)鋼管混凝土柱進(jìn)行處理，建立鋼管混凝土柱的由有限元模型，并進(jìn)行框架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析。網(wǎng)格的劃分如圖2所示。

圖2 框架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分示意圖

4 地震波的選取

采用地震波分別為EI-Centro波(1940)、Hollywood storage(1952)、Mexco City(1985)三種地震波0.96g加速度時(shí)程曲線。

圖3 三種不同類型波的地震加速度時(shí)程曲線

PEER是大平洋地震工程研究中心的簡(jiǎn)稱，尤其運(yùn)作的PEER地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫提供了大量的世界各地的地震記錄，可自由下載，并且下載的地震波能夠滿足底部剪力單條65%和平均80%的要求。該網(wǎng)站提供了豐富的查詢手段，可按距離、場(chǎng)地、震源類型等條件選擇地震記錄，也提供了按目標(biāo)反應(yīng)譜選擇的手段。云南省土木建筑學(xué)會(huì)建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會(huì)和昆明理工大學(xué)提供了Microsoft Excel 2003格式的文件Spectrum-2010.xls，可用于生成我國建筑、公路等抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。

5 框架結(jié)構(gòu)加速度時(shí)程分析

5.1 數(shù)據(jù)模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

將ABAQUS數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，圖4所示為鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震加速度峰值0.96g作用下的各層最大位移反應(yīng)值與各層間剪力最大值的數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比曲線。

從圖4左圖上可以看出在一種地震波的激勵(lì)下結(jié)構(gòu)各層位移反應(yīng)的最大值是不相同的，隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，各層最大位移反應(yīng)值也逐步增大。從圖4右圖下可以看出在同一種地震波的激勵(lì)下結(jié)構(gòu)各層最大剪力值也是不相同的，而且與各層最大位移反應(yīng)包絡(luò)曲線呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，即結(jié)構(gòu)最底層的剪力值最大，而結(jié)構(gòu)最頂層的剪力值最小。從整體上來說ABAQUS模擬計(jì)算出的結(jié)果與試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果較為相符，也證明了上述有限元模型建立的合理性。

5.2 三種加速度0.96g地震波作用下結(jié)構(gòu)的頂層位移反應(yīng)

由上述三種地震波的地震加速時(shí)程分析，采用ABAQUS的動(dòng)力隱式分析模塊對(duì)多層鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震響應(yīng)時(shí)程分析，得出的頂層位移時(shí)程曲線如5所示。

圖4 EI-Centro波作用下的試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比

整個(gè)框架結(jié)構(gòu)在相同地震加速度，不同地震波類型作用下的位移曲線形狀不近相同，但是整個(gè)位移曲線發(fā)展的趨勢(shì)都是大致相同的，結(jié)構(gòu)各層的位移反應(yīng)遵循相似的規(guī)律，整個(gè)結(jié)構(gòu)在各層最大振幅處，都呈現(xiàn)倒三角形形狀，這符合由試驗(yàn)得出的結(jié)論?？蚣芙Y(jié)構(gòu)在EI-Centro波作用下的結(jié)構(gòu)頂層最大位移為2.28mm，在Holly波作用下的結(jié)構(gòu)頂層最大位移為1.88mm，在Mexco波作用下的結(jié)構(gòu)頂層最大位移為1.64mm，其中EI-Centro波加速度峰值0.96g時(shí)的結(jié)構(gòu)頂層位移最大，最大位移與結(jié)構(gòu)高度之比為1/1440，滿足相關(guān)規(guī)定[8]的要求。

圖5 三種波作用下的位移曲線

6 結(jié)論

①在一種地震波的激勵(lì)下結(jié)構(gòu)各層位移反應(yīng)的最大值是不相同的，隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，各層最大位移反應(yīng)值也逐步增大。

②同一種地震波的激勵(lì)下結(jié)構(gòu)各層最大剪力值也是不相同的，而且與各層最大位移反應(yīng)包絡(luò)曲線呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì)，即結(jié)構(gòu)最底層的剪力值最大，而結(jié)構(gòu)最頂層的剪力值最小。

③不同地震波類型作用下的位移曲線形狀不近相同，但是整個(gè)位移曲線發(fā)展的趨勢(shì)都是大致相同的，結(jié)構(gòu)各層的位移反應(yīng)遵循相似的規(guī)律，整個(gè)結(jié)構(gòu)在各層最大振幅處，都呈現(xiàn)倒三角形形狀，這符合由試驗(yàn)得出的結(jié)論。

④從整體上來說ABAQUS模擬計(jì)算出的結(jié)果與試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果較為相符，也證明了上述有限元模型建立的合理性。

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