高层钢框架混合结构抗震弹塑性时程分析

时间：2024-07-28

（广州市设计院广东广州 510620）

高层钢框架混合结构抗震弹塑性时程分析

邵骏

（广州市设计院广东广州 510620）

本文对高层建筑结构弹塑性时程分析方法的产生背景及分析方法进行了简要介绍，并结合ABAQUS 软件对某高层钢框架混合结构进行了抗震弹塑性时程分析，研究其在地震作用下结构屈服和破坏情况。

高层钢框架混合结构；弹塑性时程分析；ABAQUS

1 弹塑性时程分析背景及方法

现行的抗震设计规范已经把弹塑性(非线性)时程分析方法纳入条文，比如说在罕遇地震作用下须进行薄弱层弹塑性变形计算的结构，除了不超过12层且层刚度无突变的混凝土框架、单层混凝土柱厂房可以采用简化的方法以外，其他的都采用静力弹塑性分析方法或者弹塑性时程分析方法。近年来, 高层钢框架混合结构在我国高层建筑结构中得到了较为广泛的应用, 它既能发挥钢材强度高, 截面积小,可以建造大跨度、大空间结构的优点; 又能充分利用混凝土核心筒的抗推刚度大的特点。

自20世纪60年代以来，许多学者致力于非线性时程分析方法的研究，将建筑物作为非线性振动系统，直接输入地震波，用逐步积分法求解依据结构非线性恢复力模型特性建立的动力方程，直接计算结构的位移、速度及加速度时程反应，从而描述结构在强震作用下，在弹性和非弹性阶段的内力变化，以及结构构件逐步开裂、屈服、损坏直至倒塌的全过程，从而为结构抗震设计提供依据。

2 算例分析

2.1空间有限元模型建立

依据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)、《高层民用建筑钢结构技术规程》及《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)等现有规范、规程,设计一座13层钢框架-混凝土框架结构作为试验模型的原型结构,采用ABAQUS有限元软件对其进行分析,结构各层层高4m,平面尺寸为24m×24m,外钢框架均采用箱型截面,钢柱采用600mm×600mm,梁采用500mm×500mm,钢筋混凝土楼板厚200mm,10@150双向双层配筋。钢材为Q235钢,混凝土强度等级为C35。混凝土剪力墙单向开洞,门洞口尺寸为2000mm×2800mm。其结构平面布置图如下图所示：

本模型混凝土的本构关系采用ABAQUS中提供的混凝土损伤塑性本构关系，本模型中楼板与核心筒中钢筋采用ABAQUS中的钢筋层模拟。开裂、损伤与刚度恢复通过受拉(dt)、受压(dc)损伤因子、刚度恢复因子来模拟,其值均在0～1之间变化,0代表无损伤,1代表完全损伤开裂。ABAQUS后处理中显示这些因子数值和分布情况,可以知道混凝土裂缝发展和分布。模型中框架、钢筋的本构关系采用了标准金属塑性模型,屈服强度235MPa。钢筋混凝土与钢材本构中参数数值可参照文献采用。

单元选择单元的选择是高层建筑动力分析的关键。本文采用三维空间有限元模型对高层钢-混凝土混合结构模型进行空间整体分析。框架柱、框架梁采用三维线形梁单元(B31);混凝土剪力墙和楼板采用线形减缩积分的四边形三维壳单元(S4R),这两种单元适用于广泛的问题。且可以在ABAQUS中显式和隐式求解器中通用。

模型中采用ABAQUS中的复合阻尼,即对钢材和混凝土分别定义一个临界阻尼比,材料阻尼矩阵采用Rayleigh阻尼。

2.2结构自振特性分析

采用ABAQUS/Standard中提供Lanczos特征提取法方法求解了结构的前30阶特征值。其中列出前6阶自振频率及周期如表1所示。结构模型的第1阶振型呈弯剪型,结构底部7层以弯曲型为主,上部8层以剪切型为主。

表1 结构的自振特性

2.3结构屈曲与破坏情况

在所选用的两条地震波作用下,结构屈服、破坏的情况以宁河波作用下最为严重,剪力墙屈服、破坏部位较多,在宁河波7度罕遇和8度罕遇地震作用情况下钢柱发生了屈曲,而在E.lCentro波作用下结构反应较弱。以本模型在宁河波不同烈度地震作用下的反应为例,对混合结构在弹塑性时程分析过程中,混凝土剪力墙、楼板裂缝开展与破坏情况以及钢架的屈服情况总结如下：

(1)7度罕遇地震作用下,混凝土核心筒的第3层首先出现裂缝,其次向下第2层连梁、向上第4层连梁及混凝土剪力墙与基础连接部位出现裂缝,之后向下、向上各层连梁相继出现开裂,之前各裂缝进一步发展,第3层首先发生破坏,然后底层剪力墙发生破坏,在地震反复荷载作用下,其余各层连梁及连梁与剪力墙连接的门洞口部位裂缝大量开展。当地震作用结束时,底部2层范围内剪力墙破坏严重,3层剪力墙部分受损;宁河波220gal峰值加速度地震输入下,外部钢框架在1.30s时框架底层角柱达到最大应力179.5MPa,未发生屈曲。

(2)8度罕遇地震作用下,混凝土核心筒的第3层连梁首先出现裂缝,其次是第2层连梁、第4层连梁,第5层连梁及混凝土剪力墙与基础连接部位出现裂缝,之后向下、向上各层连梁相继出现开裂,之前各裂缝进一步发展,第3层首先出现破坏,然后底层剪力墙发生破坏,在地震反复荷载作用下,各层连梁相继发生破坏。地震作用结束时,底部3层剪力墙全部受损,各层连梁破坏严重,楼板与核心筒连接部位产生大量裂缝,楼板产生较大塑性变形;宁河波400gal峰值加速度地震输入下,外部钢框架在1.16s时框架底层角柱首先出现屈服,1.28s达到最大应力300.4MPa,之后底层边柱及部分楼层钢梁屈服。