徐國林

(中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080)

巨型鋼框架結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析方法研究

徐國林

(中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱 150080)

巨型鋼框架結(jié)構(gòu)是一種具有巨大抗側(cè)移剛度及整體工作性能的大型結(jié)構(gòu)形式，由于結(jié)構(gòu)布置靈活、節(jié)省材料、充分發(fā)揮材料強(qiáng)度和有利于抗震等特點(diǎn)，在近幾十年來得到了廣泛的應(yīng)用。

在罕遇荷載作用下，結(jié)構(gòu)中常常會出現(xiàn)桿件屈服，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析。巨型鋼框架結(jié)構(gòu)中格構(gòu)式巨型梁和巨型柱構(gòu)成復(fù)雜，其桿件非線性分析模型及結(jié)構(gòu)的非線性分析方法均未得到很好的解決。因此，本文對巨型鋼框架結(jié)構(gòu)精細(xì)和實(shí)用的非線性分析方法及其應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，為此類高層建筑地震反應(yīng)分析、抗震性能及抗震設(shè)計(jì)方法提供有效的分析手段。主要工作如下:

系統(tǒng)地總結(jié)和評述了現(xiàn)有巨型鋼框架結(jié)構(gòu)三維非線性分析方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，為本文的研究奠定了基礎(chǔ)。

選用具有良好精度和計(jì)算效率的4節(jié)點(diǎn)減縮積分殼單元對巨型構(gòu)件進(jìn)行離散，建立分析模型，給出了基于三維殼單元模型巨型鋼框架非線性地震反應(yīng)分析方法，并利用大型有限元程序MSC.Marc加以實(shí)現(xiàn)，采用其并行運(yùn)算技術(shù)減縮了計(jì)算耗時(shí)。該方法作為精細(xì)分析方法可用于構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)的受力特性研究以及小型結(jié)構(gòu)的非線性反應(yīng)分析。本文采用該方法對巨型柱支撐形式進(jìn)行了研究，選用不同長細(xì)比的支撐桿件，對比了常用三種支撐形式巨型柱的剛度、延性和耗能能力，給出了巨型柱中支撐形式選取的建議。

將Timshenko梁理論與纖維模型相結(jié)合，以剛度法為基礎(chǔ)推導(dǎo)了單元剛度矩陣，建立了能夠考慮剪切屈服與彎曲屈服相分離的纖維模型，實(shí)現(xiàn)了剪切變形對桿件剛度的影響。通過二次開發(fā)接口，將此單元剛度矩陣嵌入到有限元軟件MSC.Marc程序中，給出了基于Timshenko梁理論纖維模型的巨型鋼框架結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析方法。

采用V.Mises屈服條件，關(guān)聯(lián)塑性的V.Mises流動法則和Zeigler增量隨動強(qiáng)化準(zhǔn)則推導(dǎo)了能夠考慮一個(gè)主應(yīng)力、兩個(gè)剪應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的材料彈塑性矩陣，在此基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了基于Timshenko梁理論有限分割塑性區(qū)模型單元剛度矩陣，通過二次開發(fā)接口，將此單元剛度矩陣嵌入到有限元軟件MSC.Marc程序中，給出了基于有限分割塑性區(qū)模型的巨型鋼框架結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析方法。

采用本文所給的三種巨型鋼框架結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析方法，對深梁和短梁構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算精度和效率的對比分析，結(jié)論表明，Timshenko梁纖維模型可作為巨型鋼框架結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析的實(shí)用方法。采用該方法對一棟實(shí)際巨型鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性地震反應(yīng)分析，以此算例說明了該方法的適用性。

巨型鋼框架;非線性;地震反應(yīng)分析方法;剛度矩陣;剛度法

TU352.1;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.01.018