强震作用下构件损伤对钢框架结构受力性能的影响

来源:用户上传      作者: 董开帅　唐瑞

　　【摘 要】众所周知，处于地震之中的建筑结构会因受到剪切和扭转力的作用而产生结构破坏，结构中部分构件因受力强度不够会出现损伤现象，从而影响建筑主体结构的受力性能。针对这一命题，本文就强震作用下建筑构件损伤对建筑框架结构受力性能的影响进行论述，以有限元软件ABAQUS为研究对象，在文中建立起一个杆系模型和一个三维精细钢框架模型，并比较两者对钢框架结构受力性能的不同影响，得出相关结论供同行参考。
　　【关键词】强震；构件；钢框架结构；有限元；受力性能；影响
　　近年来，我国部分地区频繁发生地震，给人们的生命和财产造成了严重损害。据相关研究得知，尽管地震是造成震区人员伤亡的主要原因，但却并不是直接原因。事实上，由地震所造成的建筑物倒塌，对人员进行掩埋，才是造成人员伤亡的直接原因。为此，我们强调要做好建筑施工管理，确保建筑施工质量以及建筑结构的整体稳定性。
　　1.钢框架结构及其抗震性能研究
　　钢框架结构是建筑结构形式中最为常见的一种，主要构成材料是钢材，因具有着强度高、刚度大、自重轻、承载力强等优点，目前被广泛应用于超高层建筑和大跨度建筑物中。作为现代建筑结构中的一种主要结构形式，钢框架结构的抗震性能一致被业界所关注。从理论上来说，钢框架结构抗震性能的最佳研究方法是振动台试验以及动力过程分析，然而因为受到研究技术和试验条件的限制，这两种研究方法暂不能得到有效实施，所以现阶段国内外普遍采用的钢框架结构抗震性能研究方法为：结构构件基本力学行为研究。简单来说，就是针对钢框架结构部分构件的力学行为进行研究，分析构件在强震作用下发生损伤后能否对钢框架主体结构的产生影响，以此判定并反映出钢框架结构在强震作用下的响应。
　　为了研究强震作用下构件损伤对钢框架结构抗震性能的影响，本文在构件基本力学行为研究原理的基础上，选用有限元软件ABAQUS为技术手段，在其基础上建立两种模型，并通过实验来综合考虑钢框架结构构件损伤对结构整体抗震性能的影响。
　　2.实验操作和实验分析
　　2.1模型建立
　　首先，建立一个楼层数为4层的钢框架结构模型，要求楼层高3米，跨度为6米；然后通过有限元软件ABAQUS来分别建立一个杆系模型和三维精细壳单元有限元模型，要求杆系模型的实际尺寸大小和三维精细壳单元有限元模型的轴线大小相同，模型各节点部位的强度要相对较大，目的是为了防止节点部位变形而对结构的抗震性能产生影响；另外，要在节点部位增加一个侧向约束力，防止节点发生局部扭曲。
　　加载方式：首先，对结构施加竖向重力荷载以及根据荷载规范施加恒荷载和活荷载的荷载组合；其次，根据不同的加载模式进行水平加载，分别采用拟静力加载和拟动力加载。
　　2.2实验分析
　　2.2.1拟静力加载对比分析
　　模型建立之后，绘制出三维精细壳单元模型和杆系模型的单调加载曲线的对比结果图，并由图得出：两模型的初始刚度基本一致。杆系模型计算得到的承载力稍大，这主要是由于杆系模型中的钢框架柱计算长度比精细模型稍长，会造成一定的差异，但是整体差别在3%以下。在单调荷载作用下，由于没有塑性应变循环累积作用，结构受力性能并未发生明显退化，表明两者的计算结果在工程允许的范围内是一致的，单调荷载作用下杆系模型的计算结果是可靠的。
　　2.2.2滞回性能对比分析
　　静力循环加载是在框架的顶端施加往复水平位移，采用四种加载制度，分别为：由小到大逐级加载（加载制度Ⅰ），由大到小递减加载（加载制度Ⅱ），以及先小后大再小加载（加载制度Ⅲ）和先大后小再大加载（加载制度Ⅳ）。四种加载方式分别模拟不同地震作用，考察不同加载制度下结构损伤的不同表现形式，同时比较三维精细壳单元模型与杆系模型计算结果的差别。
　　在上述所列出的四种加载制度下，三维精细壳单元模型由于能够模拟局部屈曲和塑性应变累积作用，承载力以及刚度均出现明显退化，并且不同加载制度的滞回曲线也有差别。而杆系模型所有的加载制度下的滞回曲线完全一致，并没有受到加载程度和累积作用的影响，无法反映构件损伤的不可逆现象，以及由于损伤产生的内力重分布。因此，采用杆系模型进行分析会高估结构的受力性能，不能反映结构真实的地震响应。
　　结构构件的损伤会削减结构整体的刚度和承载力，进而降低结构的整体抗震能力，对结构的整体受力性能产生直接的影响。若考虑损伤对承载力及刚度的折减将会使计算结果更为接近实际情况，能够更为准确地预测结构的地震响应。
　　2.3耗能能力对比分析
　　在实验中根据两种模型的实际耗能情况，绘制出不同加载力下模型结构的耗能力。从所绘制的结构耗能力图示来看，杆系模型结构的在实验中往往不能全面考虑到结构的承载力和刚度，如果应用于实际建设，会高估结构在强震作用下耗能能力。而对于三维单元有限元模型来说，该结构的在不同加载力下的耗能能力差别并不大。
　　2.4结构变形分析
　　对其结构的动力弹塑性时程和结构变形情况进行分析，根据实验中所绘制的结构破坏形态的图纸来看，三维精细单元有限元模型在强震作用时，在结构的柱脚和梁端容易发生局部变形弯曲，需要注意的是，这种局部弯曲现象在杆系模型模拟实验中不会出现，但在实际地震时却是真实存在的。实验分析，杆系模型和三维精细单元模型在强震实验中，当模型的塑性应变积累到一定程度，导致损伤出现时，两种模型结构的变形程度不同，呈现出明显的差异。从变形程度来看，三维精细单元模型发生的位移远远高于杆系模型，这便说明杆系模型在强震作用下不会过高估计建筑结构的抗震能力，比三维单元模型更适建于强震区域。
　　从模型的层间位移角和层位移可以看出，杆系模型分析得到的位移会低于精细模型的分析结果，在薄弱层有明显的差异，差异最大达到30%。对于不同的地震波，在相同的峰值加速度作用下，对结构作用程度也不相同，这与变形累积作用形式相关。地震作用导致结构发生更为明显的不对称变形，在结构变形较大的一侧不断累积，层间位移角以及层位移逐步增大。
　　对于同一条地震波，峰值加速度不同，损伤对结构的影响程度也不相同。地震作用越大，结构塑性应变累积随之增加，局部屈曲越严重，进而结构变形也越大。
　　2.5塑性耗能发展程度对比分析
　　塑性耗能（Ep）表示结构材料进入塑性而产生的塑性应变能的程度，随着地震波的不断输入而不断增加，为单调递增函数，表征结构在地震作用下塑性发展状况以及能量耗散情况。 （下转第111页）
　　（上接第108页）3.结束语
　　（1）采用三维精细壳单元建立的钢框架构件和框架非线性有限元计算模型在宏观破坏形态和局部屈曲等方面与典型试验结果均吻合良好，验证了模型中采用的单元类型和材料本构模型的合理性。说明三维精细壳单元模型能在一定程度上真实地反映结构在强震作用下的响应。
　　（2）结构未发生损伤时，杆系模型和三维精细壳单元模型分析结果吻合良好；但由于结构塑性应变累积和局部屈曲导致损伤发生，两种模型分析结果出现明显的差异。由于损伤累积，导致精细模型分析得到的结构位移高于杆系模型的分析结果（最大差异达到30%），杆系模型会低估结构的变形以及塑性发展能力。 [科]
　　【参考文献】
　　[1]赵岩，林家浩，唐光武.复杂结构局部非线性地震反应精细时程分析[J].大连理工大学学报，2004（02）.
　　[2]吴芸，张其林，王旭峰.钢框架抗震性能试验研究和数值分析[J].西安建筑科技大学学报（自然科学版），2006（04）.
　　[3]柏洁.暗柱对梁-墙平面外连接节点受力的影响作用数值分析[J].贵州大学学报（自然科学版），2011（02）.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-4456896.htm