董開帥　唐瑞

【摘 要】眾所周知，處于地震之中的建筑結(jié)構(gòu)會因受到剪切和扭轉(zhuǎn)力的作用而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)破壞，結(jié)構(gòu)中部分構(gòu)件因受力強度不夠會出現(xiàn)損傷現(xiàn)象，從而影響建筑主體結(jié)構(gòu)的受力性能。針對這一命題，本文就強震作用下建筑構(gòu)件損傷對建筑框架結(jié)構(gòu)受力性能的影響進行論述，以有限元軟件ABAQUS為研究對象，在文中建立起一個桿系模型和一個三維精細鋼框架模型，并比較兩者對鋼框架結(jié)構(gòu)受力性能的不同影響，得出相關(guān)結(jié)論供同行參考。

【關(guān)鍵詞】強震；構(gòu)件；鋼框架結(jié)構(gòu)；有限元；受力性能；影響

近年來，我國部分地區(qū)頻繁發(fā)生地震，給人們的生命和財產(chǎn)造成了嚴(yán)重損害。據(jù)相關(guān)研究得知，盡管地震是造成震區(qū)人員傷亡的主要原因，但卻并不是直接原因。事實上，由地震所造成的建筑物倒塌，對人員進行掩埋，才是造成人員傷亡的直接原因。為此，我們強調(diào)要做好建筑施工管理，確保建筑施工質(zhì)量以及建筑結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

1.鋼框架結(jié)構(gòu)及其抗震性能研究

鋼框架結(jié)構(gòu)是建筑結(jié)構(gòu)形式中最為常見的一種，主要構(gòu)成材料是鋼材，因具有著強度高、剛度大、自重輕、承載力強等優(yōu)點，目前被廣泛應(yīng)用于超高層建筑和大跨度建筑物中。作為現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的一種主要結(jié)構(gòu)形式，鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能一致被業(yè)界所關(guān)注。從理論上來說，鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的最佳研究方法是振動臺試驗以及動力過程分析，然而因為受到研究技術(shù)和試驗條件的限制，這兩種研究方法暫不能得到有效實施，所以現(xiàn)階段國內(nèi)外普遍采用的鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能研究方法為：結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本力學(xué)行為研究。簡單來說，就是針對鋼框架結(jié)構(gòu)部分構(gòu)件的力學(xué)行為進行研究，分析構(gòu)件在強震作用下發(fā)生損傷后能否對鋼框架主體結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生影響，以此判定并反映出鋼框架結(jié)構(gòu)在強震作用下的響應(yīng)。

為了研究強震作用下構(gòu)件損傷對鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，本文在構(gòu)件基本力學(xué)行為研究原理的基礎(chǔ)上，選用有限元軟件ABAQUS為技術(shù)手段，在其基礎(chǔ)上建立兩種模型，并通過實驗來綜合考慮鋼框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷對結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響。

2.實驗操作和實驗分析

2.1模型建立

首先，建立一個樓層數(shù)為4層的鋼框架結(jié)構(gòu)模型，要求樓層高3米，跨度為6米；然后通過有限元軟件ABAQUS來分別建立一個桿系模型和三維精細殼單元有限元模型，要求桿系模型的實際尺寸大小和三維精細殼單元有限元模型的軸線大小相同，模型各節(jié)點部位的強度要相對較大，目的是為了防止節(jié)點部位變形而對結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生影響；另外，要在節(jié)點部位增加一個側(cè)向約束力，防止節(jié)點發(fā)生局部扭曲。

加載方式：首先，對結(jié)構(gòu)施加豎向重力荷載以及根據(jù)荷載規(guī)范施加恒荷載和活荷載的荷載組合；其次，根據(jù)不同的加載模式進行水平加載，分別采用擬靜力加載和擬動力加載。

2.2實驗分析

2.2.1擬靜力加載對比分析

模型建立之后，繪制出三維精細殼單元模型和桿系模型的單調(diào)加載曲線的對比結(jié)果圖，并由圖得出：兩模型的初始剛度基本一致。桿系模型計算得到的承載力稍大，這主要是由于桿系模型中的鋼框架柱計算長度比精細模型稍長，會造成一定的差異，但是整體差別在3%以下。在單調(diào)荷載作用下，由于沒有塑性應(yīng)變循環(huán)累積作用，結(jié)構(gòu)受力性能并未發(fā)生明顯退化，表明兩者的計算結(jié)果在工程允許的范圍內(nèi)是一致的，單調(diào)荷載作用下桿系模型的計算結(jié)果是可靠的。

2.2.2滯回性能對比分析

靜力循環(huán)加載是在框架的頂端施加往復(fù)水平位移，采用四種加載制度，分別為：由小到大逐級加載（加載制度Ⅰ），由大到小遞減加載（加載制度Ⅱ），以及先小后大再小加載（加載制度Ⅲ）和先大后小再大加載（加載制度Ⅳ）。四種加載方式分別模擬不同地震作用，考察不同加載制度下結(jié)構(gòu)損傷的不同表現(xiàn)形式，同時比較三維精細殼單元模型與桿系模型計算結(jié)果的差別。

在上述所列出的四種加載制度下，三維精細殼單元模型由于能夠模擬局部屈曲和塑性應(yīng)變累積作用，承載力以及剛度均出現(xiàn)明顯退化，并且不同加載制度的滯回曲線也有差別。而桿系模型所有的加載制度下的滯回曲線完全一致，并沒有受到加載程度和累積作用的影響，無法反映構(gòu)件損傷的不可逆現(xiàn)象，以及由于損傷產(chǎn)生的內(nèi)力重分布。因此，采用桿系模型進行分析會高估結(jié)構(gòu)的受力性能，不能反映結(jié)構(gòu)真實的地震響應(yīng)。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷會削減結(jié)構(gòu)整體的剛度和承載力，進而降低結(jié)構(gòu)的整體抗震能力，對結(jié)構(gòu)的整體受力性能產(chǎn)生直接的影響。若考慮損傷對承載力及剛度的折減將會使計算結(jié)果更為接近實際情況，能夠更為準(zhǔn)確地預(yù)測結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。

2.3耗能能力對比分析

在實驗中根據(jù)兩種模型的實際耗能情況，繪制出不同加載力下模型結(jié)構(gòu)的耗能力。從所繪制的結(jié)構(gòu)耗能力圖示來看，桿系模型結(jié)構(gòu)的在實驗中往往不能全面考慮到結(jié)構(gòu)的承載力和剛度，如果應(yīng)用于實際建設(shè)，會高估結(jié)構(gòu)在強震作用下耗能能力。而對于三維單元有限元模型來說，該結(jié)構(gòu)的在不同加載力下的耗能能力差別并不大。

2.4結(jié)構(gòu)變形分析

對其結(jié)構(gòu)的動力彈塑性時程和結(jié)構(gòu)變形情況進行分析，根據(jù)實驗中所繪制的結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)的圖紙來看，三維精細單元有限元模型在強震作用時，在結(jié)構(gòu)的柱腳和梁端容易發(fā)生局部變形彎曲，需要注意的是，這種局部彎曲現(xiàn)象在桿系模型模擬實驗中不會出現(xiàn)，但在實際地震時卻是真實存在的。實驗分析，桿系模型和三維精細單元模型在強震實驗中，當(dāng)模型的塑性應(yīng)變積累到一定程度，導(dǎo)致?lián)p傷出現(xiàn)時，兩種模型結(jié)構(gòu)的變形程度不同，呈現(xiàn)出明顯的差異。從變形程度來看，三維精細單元模型發(fā)生的位移遠遠高于桿系模型，這便說明桿系模型在強震作用下不會過高估計建筑結(jié)構(gòu)的抗震能力，比三維單元模型更適建于強震區(qū)域。

從模型的層間位移角和層位移可以看出，桿系模型分析得到的位移會低于精細模型的分析結(jié)果，在薄弱層有明顯的差異，差異最大達到30%。對于不同的地震波，在相同的峰值加速度作用下，對結(jié)構(gòu)作用程度也不相同，這與變形累積作用形式相關(guān)。地震作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生更為明顯的不對稱變形，在結(jié)構(gòu)變形較大的一側(cè)不斷累積，層間位移角以及層位移逐步增大。

對于同一條地震波，峰值加速度不同，損傷對結(jié)構(gòu)的影響程度也不相同。地震作用越大，結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變累積隨之增加，局部屈曲越嚴(yán)重，進而結(jié)構(gòu)變形也越大。

2.5塑性耗能發(fā)展程度對比分析

塑性耗能（Ep）表示結(jié)構(gòu)材料進入塑性而產(chǎn)生的塑性應(yīng)變能的程度，隨著地震波的不斷輸入而不斷增加，為單調(diào)遞增函數(shù)，表征結(jié)構(gòu)在地震作用下塑性發(fā)展?fàn)顩r以及能量耗散情況。 （下轉(zhuǎn)第111頁）

（上接第108頁）3.結(jié)束語

（1）采用三維精細殼單元建立的鋼框架構(gòu)件和框架非線性有限元計算模型在宏觀破壞形態(tài)和局部屈曲等方面與典型試驗結(jié)果均吻合良好，驗證了模型中采用的單元類型和材料本構(gòu)模型的合理性。說明三維精細殼單元模型能在一定程度上真實地反映結(jié)構(gòu)在強震作用下的響應(yīng)。

（2）結(jié)構(gòu)未發(fā)生損傷時，桿系模型和三維精細殼單元模型分析結(jié)果吻合良好；但由于結(jié)構(gòu)塑性應(yīng)變累積和局部屈曲導(dǎo)致?lián)p傷發(fā)生，兩種模型分析結(jié)果出現(xiàn)明顯的差異。由于損傷累積，導(dǎo)致精細模型分析得到的結(jié)構(gòu)位移高于桿系模型的分析結(jié)果（最大差異達到30%），桿系模型會低估結(jié)構(gòu)的變形以及塑性發(fā)展能力。 [科]

【參考文獻】

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