摘要:
以實(shí)際工程為背景,通過ABAQUS損傷材料子程序?qū)靶瘟Ⅲw桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)倒塌分析,考慮了桿件失穩(wěn)的影響,研究了該類結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的倒塌破壞機(jī)理和破壞模式。結(jié)果表明,強(qiáng)震作用下,拱形立體桁架結(jié)構(gòu)桿件損傷不斷累積,剛度逐漸退化,最終失效退出工作。損傷累積效應(yīng)使桿件應(yīng)力減小,應(yīng)變增大,同時(shí)節(jié)點(diǎn)位移幅值增大。在地震波作用下,中間主桁架柱腹桿最先失效退出工作,隨后失效區(qū)域沿主桁架平面外方向擴(kuò)展并由柱腳發(fā)展至結(jié)構(gòu)頂部。地震作用結(jié)束后,主桁架1/4跨度處腹桿以及部分長細(xì)比較大的柱腹桿發(fā)生失穩(wěn)破壞??紤]桿件失穩(wěn)的影響,將導(dǎo)致部分桿件提前失效,但對整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞模式影響不大。
關(guān)鍵詞:
桁架結(jié)構(gòu);強(qiáng)震作用;倒塌分析;損傷累積;桿件失穩(wěn)
中圖分類號:TU3933
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號:16744764(2014)04000108
大跨度拱形立體桁架結(jié)構(gòu)作為一種新型空間結(jié)構(gòu)形式,近年在會展中心、體育場館、車站站臺雨棚等大型公共建筑中被廣泛應(yīng)用。作為大型公共建筑,一旦發(fā)生連續(xù)倒塌破壞,將會帶來不可估計(jì)的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失,因此研究該類結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的抗倒塌性能十分必要。
文獻(xiàn)[1]采用平均反應(yīng)譜法研究了鋼管拱桁架在地震荷載作用下的動力響應(yīng),分析了多點(diǎn)激勵(lì)方式對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[2]采用多模態(tài)推倒分析方法對鋼管拱桁架在罕遇地震作用下的抗震性能進(jìn)行了研究,并考慮了壓桿失穩(wěn)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。文獻(xiàn)[3]對強(qiáng)震作用下大跨度拱形立體桁架結(jié)構(gòu)的動力失效機(jī)理、整體倒塌判別準(zhǔn)則進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[4]考慮了損傷累積效應(yīng)對鋼管拱桁架抗震性能的影響。以上研究大多選取單榀拱形立體桁架為研究對象,而整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌破壞機(jī)理、破壞模式等還有待深入研究。目前,結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌分析方法主要包括備用荷載路徑法、增量動力分析法等。備用荷載路徑法大多局限于鋼框架結(jié)構(gòu)[57]、鋼屋架結(jié)構(gòu)[8]和多高層RC框架結(jié)構(gòu)[910]等梁柱結(jié)構(gòu)體系以及具有平面對稱性的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[11]體系,忽略了構(gòu)件失效的原因并需假定失效構(gòu)件位置。而對于拱形立體桁架結(jié)構(gòu)而言,桿件數(shù)量眾多,且失效位置并不確定,通過移除某根或某幾根桿件并不會引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌,采用備用荷載路徑法將導(dǎo)致計(jì)算量龐大且效率較低。
針對以上問題,本文采用考慮損傷累積效應(yīng)的方法對拱形立體桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行倒塌分析。目前適用于鋼結(jié)構(gòu)的累積損傷破壞準(zhǔn)則主要包括:累積塑性變形準(zhǔn)則[1213]、最大主應(yīng)變破壞準(zhǔn)則[14]和能量耗散準(zhǔn)則[15]等。本文采用了累積塑性變形準(zhǔn)則,以實(shí)際工程為背景,編制了ABAQUS損傷材料子程序,考慮了損傷累積效應(yīng)和桿件失穩(wěn)的影響,給出了結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌破壞的能量判別準(zhǔn)則,研究了該類結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的破壞機(jī)理和破壞模式,并分析了損傷累積效應(yīng)對桿件內(nèi)力和節(jié)點(diǎn)位移的影響。韓慶華,等:考慮損傷累積效應(yīng)的拱形立體桁架結(jié)構(gòu)倒塌分析
1考慮損傷累積效應(yīng)的材料子程序
11理想彈塑性材料模型
在有限元分析過程中,材料模型的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)各增量步之間的應(yīng)力傳遞,根據(jù)傳入的應(yīng)變增量計(jì)算應(yīng)力增量。對于彈塑性模型,要保證更新后的應(yīng)力狀態(tài)滿足一定要求。如果在增量過程中發(fā)生了屈服,那么更新后的應(yīng)力狀態(tài)點(diǎn)應(yīng)該落在更新后的屈服面上。
應(yīng)力更新算法主要分為兩步,一是彈性試算,二是對彈性試算應(yīng)力進(jìn)行塑性修正,確保應(yīng)力狀態(tài)點(diǎn)不超過屈服面。
彈性試算時(shí)假定當(dāng)前增量步的應(yīng)變增量為彈性應(yīng)變。規(guī)定各變量在增量步開始、結(jié)束時(shí)上標(biāo)分別為0和t,則σ0表示增量步開始時(shí)的應(yīng)力,σt為增量步結(jié)束時(shí)的應(yīng)力。e表示彈性階段,根據(jù)胡克定律有