钢_混凝土组合框架结构的地震弹塑性时程分析

第5卷　第2期2008年4月铁道科学与工程学报J OURNA L OF RAI LWAY SCIENCE AND EN GI NEERI N GVol15　No12Apr.2008钢-混凝土组合框架结构的地震弹塑性时程分析Ξ蒋丽忠,王　臣(中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075)摘　要:利用非线性有限元软件ABAQUS,对由钢柱和钢-混凝土组合梁构成的组合框架结构进行三维动力特性和地震作用下的弹塑性时程分析。

通过研究该类结构在地震反应全过程中各个时刻的位移、速度、加速度反应及内力,从而确定结构屈服的时间和顺序,发现应力和塑性变形集中的部位,判明结构的屈服机制、薄弱环节以及可能的破坏类型。

将分析结果与同刚度的钢筋混凝土框架结构的计算结果进行对比分析,结果表明,钢-混凝土组合框架结构具有良好的抗震性能。

关键词:钢-混凝土组合框架结构;弹塑性地震响应;抗震性能中图分类号:T U375 文献标识码:A 文章编号:1672-7029(2008)02-0007-05Ela stic-pla stic earthquake re sponse of steel-concrete compo site frame structureJ I ANGLi2Zhong,W ANG Chen(School of Civil and Architectural Engineering,Central S outh University,Changsha410075,China)Abstract:ABAQUS nonliner FE A program was applied to study the3D dynamic characteristics and elastic-plastic time history reaction of structure,which was made of steel pole and steel-concrete com posite beams.By analysing the whole seismic reaction process including the displacement,velocity,acceleration and internal force of structure,the time of yield and gradation of structure was carried out,the trans form concentrated part in response to the stress and the plastic was found out,the yield of mechanism,weak link and possible breakage type of structure was ascertained.C om paring this results with those that have the same stiffness,the steel-concrete com posite frame structure aseismatic has a g ood aseismatic performance.K ey w ords:steel-concrete com posite frame structure;elastic-plastic earthquake response;seismic performance 我国现行抗震设计规范[1]在总则中以我国现有科技水平和经济能力为前提,提出了三水准抗震设防目标,其中设防目标在第2和第3水平时,允许结构进入非弹性工作阶段,即允许结构通过一定的塑性变形来耗散地震动的能量,并在有关章节增加了关于非弹性静力分析及弹塑性反应分析的相关条文。

许多研究者从不同角度进行了结构弹塑性地震反应研究。

其中,时程分析方法被认为是目前最为准确的结构弹塑性地震反应分析方法之一,这种方法通过逐步积分进行结构弹塑性动力分析,可以计算出地震反应全过程中各个时刻的内力和变形状态,确定结构开裂和屈服的时刻和顺序,发现应力和塑性变形集中的部位,从而判明结构的屈服机制,薄弱环节以及可能的破坏类型。

钢-混凝土组合结构是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构,与钢结构相比可以节省用钢量和增强耐久性等,与混凝土结构相比可以大大减轻自重,减小结构尺寸,方便施工等,且能够利用钢材的塑性变形能力来吸收地震能量。

自1990年开始,蒋丽君等[2-3]对组合结构的抗震性能进行了研究,但大部分研究是针对某一构件(钢管混凝土柱、组合梁等)进行的,对结构整体抗震性能的研究还比较少。

在此,本文在构件研究的基础上,利用有限元分析软件ABAQUS对钢柱和钢-混凝土组合梁构Ξ收稿日期:2007-12-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(50438020,50778177),湖南省杰出青年基金资助项目(07JJ1009)作者简介:蒋丽忠(1977-),男,湖南衡阳人,教授,博士,从事组合结构和工程结构抗震研究成的组合框架进行地震作用下的弹塑性时程分析,确定结构屈服的时刻和顺序,以便发现应力和塑性变形集中的部位,判明结构的屈服机制、薄弱环节以及可能的破坏类型,并与钢筋混凝土框架结构进行对比分析。

1　组合框架结构分析模型以1个两层钢-混凝土组合框架进行分析,该框架由方钢管柱、“工”字钢梁和混凝土板组合而成。

方钢管柱横截面为0.2m ×0.2m (厚0.01m )。

“工”字梁截面如图1所示,混凝土板厚0.12m ,采用双向配筋(间距15cm ),其余各部分尺寸如图2所示。

钢筋混凝土框架结构的尺寸采用与组合框架结构等效刚度的原则进行确定。

图1　结构尺寸图Fig.1S tructuraldimension图2　“工”字梁截面尺寸Fig.2Section size of the “I ”beam本文中的混凝土材料本构关系选用混凝土损伤塑性模型,参照文献[4]修改它的输入参数,如表1所示,使其相当于等级为C35的混凝土;本文中钢材的本构关系选用标准金属塑性模型,采用各向同性的硬化特性,参考文献[5-6]和《碳素结构钢G B/T700-88》修改主要的输入参数如表2所示,使其相当于等级为Q235的钢材。

表1　混凝土的材料属性T able 1Material properties of the concrete压应力/MPa压应变拉应力/MPa拉应变25.9800 3.291031.5930.0004 2.6930.000134.2980.0008 2.0580.000335.0000.0012 1.7750.000434.3620.0016 1.4790.000532.8590.00200.9910.000830.8350.00240.6640.001023.6960.00360.2980.002016.1130.00500.1350.00303.1940.01000.0740.005 注:弹性模量为3.15×1010N ・m -2;泊松比为0.2;密度为2.4t/m 3表2　钢材的材料属性T able 2Material properties of the steel 应力/MPa应变235.270244.400.03803307.400.05678345.600.07538406.800.12024459.800.18839373.520.28637 注:弹性模量为2.06×1011N ・m -2;泊松比为0.3028;密度为7185t/m 3在ABAQUS/Standard 模型中,方钢管和“工”字钢梁采用2节点三维线性差值梁单元(B31),混凝土板采用4节点缩减积分格式的壳单元(S4R ),组合框架中柱和梁一起建模,即采用刚性节点,梁与混凝土板之间的连接采用约束命令(C onstraint )中的TIE 命令将其所共有的节点自由度完全耦合起来。

钢筋混凝土结构中柱和梁之间及梁和板之间采用TIE 命令,柱和梁里面的钢筋采用Embedded region 命令将其“镶嵌”在其里面。

2　组合框架弹塑性时程分析2.1　地震波的选取地震波分别采用峰值加速度为0.47g 的单向El Centro 波和峰值加速度为1.75g 的单向T atf 波,这2个波都分为500步加载,时间间隔为0.02s ,记8铁道科学与工程学报2008年4月录时间为10s 。

输入波形分别如图3和图4所示。

2.2　动力特性分析为了确定组合框架结构的自振特性,以便为阻尼的计算提供必要条件,采用子空间迭代法进行计算,使用单元质量矩阵,可得到钢框架混凝土板结构的自振频率,如表3所示。

图3　E l Centro 波形Fig.3Wave shape of E lCentro图4　T atf 波形Fig.4Wave shape of T atf表3　结构自振特性T able 3Free -vibration characterstic of the structure 阶数1阶2阶3阶4阶5阶自振频率/H z1.6503 1.68282.4012 5.3558 5.3787阶数6阶7阶8阶9阶10阶自振频率/H z7.71349.55339.891810.43410.804阻尼对结构的影响很大,阻尼比的影响基本上反比于位移反应。

在选取阻尼中,采用输入rayleigh 阻尼的方法[8],即C n =a 0M n +a 1K n ;a 0a 1=2ζωi +ωj ωi ωj1。

这里ωi =ω1,ωj =ω10,ζc =0.05,ζs =0.02,可得:对于混凝土,a 0=0.143162,a 1=0.008029;对于钢材,a 0=0.057265,a 1=0.003212。

2.3　地震响应通过ABAQUS 隐式方法计算后,其位移、速度及加速度时程反应曲线见图5～10(图5～8所示为EI Centro 波作用结果,图9和图10所示为Tatf 波作用结果)。

其中,“相对”是指相对于模型底层即地面,GH 为组合框架的地震响应,H 为钢筋混凝土框架的地震响应。

图5　第1层的相对加速度时程曲线Fig.5Relative acceleration -time curve of the first layer图6　第2层的相对加速度时程曲线Fig.6Relative acceleration -time curve of the second layer图7　第1层的相对位移时程曲线Fig.7Relative velocity -time curve of the first layer9第2期蒋丽忠,等:钢-混凝土组合框架结构的地震弹塑性时程分析图8　第2层的相对位移时程曲线Fig.8Relative velocity -time curve of the secondlayer图9　第1层的相对位移时程曲线Fig.9Relative velocity -time curve of the first layer图10　第2层的相对位移时程曲线Fig.10Relative velocity -time curve of the second layer3　组合框架结构的抗震性能分析由表4～5和图5～10可知,在EI Centro 和Tatf 波作用下,组合框架结构和钢筋混凝土框架结构的相对速度、相对加速度相差不很大,但相对位移相差很远,尤其在Tatf 波作用下,钢混结构在3.88s 时,达到最大位移第1层为0.159m ,第2层为0.29m ,但混凝土结构在7.2s 时,达到最大位移(第1层为0.612m ,第2层为0.764m )。