高层钢-混凝土混合结构的弹塑性时程分析.pdf
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1、第 7卷第 6期 2 0 1 0年 l 2月 铁道科学与工程学报 J OURNAL OF RAI L 1 , AY SCI E NCE AND E NGI NEERI NG V0 I 7 NO 6 De c 2 0 1 0 - _ _ _l 一 j 同 层钢一 混凝 土混合结构 的弹塑性 时程分析 陆铁坚 。 蔡勇 , 秦素娟 , 张建军 ( 1 中南大学 土木建筑学院, 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5; 2 国核 电力设计研 究院, 北京 1 0 0 0 3 2 ) 摘要 : 采用 A B A Q U S通 用有限元软件分析钢 一混凝土混合 结构在地震作 用下的动 力特性及动 力时程反应
2、 , 得 到 了结构在 不同地震烈度下的顶点位移时程、 加速度时程、 楼层位移及层间位移角反应; 并研究了地震作用下混合结构的开裂、 屈服与 破坏情况。研究结果表明: 混合结构的楼层侧移呈弯剪综合的变形特性; 结构的最大层间位移角发生在结构的中下部楼 层。 且随地震烈度加大, 最大层间位移角出现的楼层位置呈下移趋势; 混凝土核心筒的连梁先于底层剪力墙发生破坏而成 为结构的薄弱环节。 关键词 : 高层建筑 ; 钢一 混凝土混合结构 ; 弹塑性 ; 时程 分析 中图分 类号 : T U 3 7 5 4 文献标志码 : A 文章编号 : 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 1 0 ) 0 6
3、 0 0 0 1 0 5 E l a s t o - p l a s t i c t i me - h i s t o r y a n a l y s i s o f a h i g h 。 r i s e h y b r i d s t r u c t u r e L U T i e - j i a n , C A I Y o n g , Q I N S u - j u a n , Z H A N G J i a n - j u n ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r
4、e ,C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y , C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5, C h i n a 2 S t a t e N u c l e a r P o w e r D e s i g n a n d R e s e a r c h I n s t i t u t e ,B e ij i n g 1 0 0 0 3 2 ,C h i n a ) A b s t r a c t : T h e fi n i t e e l e m e n t p r o g r a m A B A Q U S w a s a p
5、p l i e d t o s t u d y t h e d y n a m i c c h a r a c t e ri s t i c s a n d t i me r e a c t i o n o f h y b rid s t r u c t u r e u n d e r t h e e a ah q ua k e f u n c t i o n,t h e d i s p l a c e me n t t i meh i s t o r y r e s p o n s e o f t o p flo o r ,a c c e l e r a t i o n t i meh i
6、s t o r yflo o r d i s p l a c e me n t a n d i n n e rs t o ry d r i f t s r a t i o o f t h e s t r uc t u r e we r e o b t a i n e d,a nd t h e c h a r a c t e r o f i t s c r a c k d e v e l o p me n t ,y i e l d i n g a n d f a i l u r e s i t u a t i o n we r e a l s o d i s c us s e d i n d e
7、 t a i l T h e r e s u l t s s h o w t h a t flo o r s i d e wa y o f t h e h y b rid s t ru c t u r e s h o ws s h e a r - fle x u r a l d e f o r ma t i o n c h a r a c t e ris t i c;Ma x i ma l s t o ry a n g u l a r d r i f t o f t h e s t ru c t u r e o c c u r s i n t h e u pp e r flo o r s ,
8、wi t h t h e e a ah q u a k e i n t e n s i fie d,wh o s e p o s i t i o n d r o p s;Co u p l i n g b e a m o f c o n c r e t e s c o r e wa l l i s o ft e n d e s t r o y e d b e f o r e t h e fi r s t flo o r s h e a r wa l l a n d b e c o me s t h e we a k l i n k Ke y wor d s: h i g h r i s e b
9、u i l d i n g;s t e e l c o n c r e t e h y b rid s t ru c t ur e;e l a s t o p l a s t i c;t i me h i s t o ry a n a l y s i s 近年来, 高层钢框架一 混凝土核心筒混合结构 在 我 国 高 层 建 筑 结 构 中 得 到 了 较 为 广 泛 的 应 用 I 4 , 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 ; 另外 , 从 自重轻 、 施 工速度快方面, 它优于混凝土结构 ; 从造价
10、方面 , 它 优于钢结构 , 因此 , 被认为是一种符合我 国国情的 较好的高层建筑结构形式。 许多研究者 对混合结构进行 了弹塑性地 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。笔者 采 用 A B A Q U S通用有限元软件对 钢框架 一钢筋混凝土 核心筒混合
11、结构在地震作用下 的动力特性及动力 时程反应进行分析 , 得到了结构在不同地震烈度下 的顶点位移时程 、 加速度时程 、 楼层位移及层间位 移角反应 , 并研究了地震作用下混合结构的开裂 、 屈服与破坏情况。为研究此类结构的抗震性能提 收稿 日期: 2 0 1 0 0 51 8 基金项 目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 8 3 5 4) ; 湖南省 自然科学基金重点项 目( 1 0 J J 2 0 3 4 ) 作者简介: 陆铁坚 ( 1 9 6 3一) , 男 , 湖南岳阳人 , 教授 , 从事高层 建筑结构分析和结构抗震研究 2 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0
12、 1 0年 1 2月 供了一种有效的途径 。 1 空间有限元模型建立 1 1 结构模型 依据 高层建筑 混凝土结构技术规程 ( J G J 3 2 0 0 2 ) 、 高层民用建筑钢结构技术规程 ( J G J 9 99 8 ) 及 建 筑抗 震 设 计规 范( G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 等现有规范 、 规程 , 设计一座 1 5层钢框架 一 混凝土核心筒混合结构作为试验模型的原型结构 , 采用 A B A Q U S有限元软件对其进行分析 , 结构各 层层高 4 m, 平面尺寸为 2 0 4 m 2 0 4 m, 混凝土 核心筒面积约 占 1 1 1 , 外钢框架均采用
13、箱 型截 面 , 钢柱采用 6 0 0 m m x 6 0 0 mm, 梁采用 5 0 0 m m x 5 0 0 m m, 钢筋混凝土楼板厚 2 0 0 m m, l 0 1 5 0双 向双层配筋 , 核心筒壁厚 4 0 0 m m, 1 0 1 5 0双 向 双层 配筋。钢 材为 Q 2 3 5钢 , 混 凝土强度 等级为 c 3 5 。混凝 土剪 力 墙 单 向 开 洞, 门洞 口尺 寸 为 2 0 o o m m 2 8 0 0 m m。其结构平 面布置 图如 图 1 所示 , 采用 A B A Q U S通 用有 限元软件建立结构三 维透视图如图 2所示。本文将利用该软件对此结 构进
14、行弹塑性时程分析。 l 兰 寸 一 十 2 4I l I _4 暑 2 f | 寸 量 甘 一 昌 l g n 3 4 m 3 4 m 3 4 m 3 - 4m 3 4 m 3 4m 图 1 模 型结构平 面图 Fi g1 Pl a n ea me wo r k d i s p o s M 1 2 材料的本构关系 模 型有限元分析结果将直接依赖于材料本构 关系, 本模 型混凝土 的本构关系采用 A B A Q U S中 提供的混凝土损伤塑性本构关系。这种本构关系 的有效性及详细介绍可参照 A B A Q U S例题手册和 A B A Q U S验证手册 。本模型 中楼板 与核心筒 中钢 筋采用
15、 A B A Q U S中的钢筋层模拟。开裂 、 损伤 与 刚度恢复通过受拉( ) 、 受压 ( d c ) 损伤因子 、 刚度 恢复因子来模拟 , 其值均在 01 之间变化 , 0代表 无损伤 , 1代表完全损伤开裂。A B A Q U S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 2 3 5 M P a 。钢筋混 凝土与钢材本构中参数数值可参照文献 8 、 9 采用文献 1 0 中数据。其 中混凝土参数取值相当 于 C 3 5, 钢筋及钢材相当于 Q 2 3 5 。 图 2 模 型结构三维透视
16、 图 Fi g 2 Th r e ed i me n s i ona me wo r k s t e n o g r a p h 1 3 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 一混凝土混 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( B 3 1 ) ; 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( S 4 R ) , 这两 种单元适用于广泛的问题。且可以在 A B A Q U S中 显式和隐式求解器中通用。 1 4阻尼选择 模型中采用 A B A Q U S中的复合阻尼, 即对钢 材和混凝土分别定义一个 临界阻
17、尼 比,材料阻尼 矩阵采用 R a y l e i g h阻尼 , 即 : c= + K , 假设振型阻尼比 = 专= 时, : , = ; 本模型中选取感兴趣的频段为( = 5 z 6 0 i十 t o j , H z , , = 3 0 Hz ) , 混凝土阻尼比, = =5 钢材的 阻尼比 = = 2 。分析知, 当结构震动频率在 , 区间时, 阻尼 比将小 于或等 于给定 阻尼 比 , 结构分析偏于保守, 这符合工程需要。 1 5 分析步骤、 边界条件与载荷 ( 1 ) 分别在 A B A Q U S的 C A E中建立框架 、 楼 第 6期 陆铁坚 , 等: 高层钢 一混凝土混合结构
18、的弹塑性时程分析 3 板 、 核心筒 3个部件。 ( 2 ) 按空间位置把 3个部件组装起来。 ( 3 ) 分别在 3个部件上划分网格 , 网格化分时 注意使连接边 的节点相对应。 ( 4 ) 建立约束关 系模拟三者之 间的连 接。楼 板与框架梁通过剪力件连接一起 , 把连接边上对应 节点绑定 , Y , 。 3个 自由度。楼板与核心筒现浇在 一 起 , 连接边上对应节点绑定六个 自由度。钢框架 连梁与核心筒在角点处设计为铰接, 绑定 , Y , 3 个 自由度 。 ( 5 ) 建立分析步 , 选择求解器 , 并根据分析 目 的选择输出量。本文地震动力分析选用隐式求解 器 ( s t a n
19、d a r d ) 。 ( 6 ) 施加边界条件与荷载, 本文 中不考虑地基 与基础的相互作用 , 两者之间视为固结 。动力分析 中按规范要求去楼面活载的 5 0 , 即 1 k N m 。动 力分析中分别在结构底部 方向加 E L C e n t r o和 宁河两条地震波。加载工况如表 1 所示。 ( 7 ) 建立作业 , 提交分析。 ( 8 ) 后处理 , 整理分析结果。 , 表 1 各加载工况 Ta bl e 1 I n p ut e a hq u a ke s 2 结构 自振特性分析 采用 A B A Q U S S t a n d a r d中提 供 L a n c z o s特 征
20、 提取法方法 求解 了结构 的前 3 0阶特征值 。其 中列出前 6阶 自振频率及周期如表 2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 2 结构的 自振特性 Ta bl e 2 F r e qu e n c i e s o f t h e s t r uc t ur e 周 期 s 1 0 4 0 9 6 0 7 0 3 0 2 3 0 2 3 3 结构位移反应分析 E l C e n t r o波和宁河波 3种工况下顶点位移时 程曲线和层间位移角如 图 3和图 4所示 。从 图 3 和图 4可知 E 1 C e n
21、t r o 波作用下顶点最大位移均发 生在 5 S 左右 , 最大顶 点位移分别为 0 0 9 , 0 1 4 , 0 1 9 1T I , 而宁河 波作 用下顶点最大位移均发生 在 1 3 S 左右大顶点位移分别 为 0 1 8 , 0 3 3 , 0 4 5 m。 在 7度罕遇地震时, 核心筒开裂, 结构进入塑性 , E l C e n t r o波作用下最 大层问位移位移 角为 0 0 0 1 9 ( 1 5 2 8 ) , 出现在第 8层 , 而宁河波作用下最大层 间位移位移角为 0 0 0 4 ( 1 2 5 3 ) , 出现在第 5层 ; 8 度罕遇地震 时, E 1 C e n
22、t r o波作用 下最大层 间位移 位移角为 0 0 0 2 8 ( 1 3 5 3 ) , 出现在第 4层 , 宁河波 作用下最大层间位移位移角为0 0 0 7 3 ( 1 1 3 7 ) , 出 现在第 4层 ; 九度罕遇地震时 , E 1 C e n t r o波作用下 最大层间位移位移角为0 0 0 4 5 ( ! 2 2 1 ) , 出现在第 3层 , 宁河波作用下最大层问位移位移角为0 O 1 1 6 ( 1 8 6 ) , 出现在第 3层。 ( a )E 1 C e n t r o波 ;( b )宁河波 图 3结 构 顶 点 位 移 时程 反 应 Fi g 3 Cu r v e
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