钢-混凝土组合框架结构的地震弹塑性耐程分析.pdf

第 5卷第 2期 2 0 0 8年 4月 铁道科学与工程学报 J OURNAL OF RAI I WA Y S CI E NCE AND E NGI NEE RI NG Vo 1 5 NO 2 A p r 2 0 0 8 钢 一混凝土组合框架结构的地震弹塑性耐 程分析 蒋丽忠， 王臣 ( 中南大学 土木建筑学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要 ： 利用非线性有限元软件 A B A Q U S ， 对 由钢柱和钢 一混凝 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 一混凝土组合框架结构具有良好的抗震性能。 关键词： 钢 一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 U 3 7 5 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 0 8 ) 02一O O O 7 0 5 E l a s t i cp l a s t i c e a r t h q u a k e r e s p o n s e o f s t e e l c o n c r e t e c o mp o s i t e f r a me s t r u c t u r e J I A NG L i - Z h o n g，WAN G C h e n ( S c h o o l o f C i v i l a n d A r c h i t e c t u r a l E g l n e e r i n g ， C e n tr a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h ang s h a 4 1 0 0 7 5 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： A B A Q U S n o n l i n e r F E A p r o g r a m w a s a p p l i e d t o s t u d y t h e 3 D d y n a m i c c h a r a c t e ri s t i c s a n d e l ast i c p l ast i c t i me h i s t o r y r e a c t i o n o f s t r u c t u r e，wh i c h Was ma d e o f s t e e l p o l e an d s t e e lc o n c r e t e c o mp o s i t e b e a ms B y an a l y s i n g t h e wh o l e s e i s mi c r e a c t i o n p r o c e s s i n c l u d i n g t h e d i s p l a c e me n t ，v e l o c i t y，a c c e l e r a t i o n an d i n t e ma l f o r c e o f s t ruc t u r e ，t h e t i me o f y i e l d an d g r a d a t i o n o f s t ruc t u r e Was c a r r i e d o u t ，the t r a n s f o r m c o n c e n t r a t e d p a r t i n res po n s e t o the s t res s an d t h e p l ast i c Was f 0 u n d o u t ，t h e y i e l d o f me c h an i s m ，we a k l i n k an d po s s i b l e b r e ak a g e t y p e o f s t ruc t u r e Was asc e r t a i n e d Co mp a r i n g t h i s res u l t s wi t h t h o s e t h a t h a v e t h e S a lT l e s t i f f n e s s，t h e s t e e l c o n c r e t e c o mpo s i t e f r a me s t ruc t u re a s e i s ma t i c h as a g o o d a s e i s ma t i c p e r f o rm an c e Ke y wo r d s ： s t e e l c o n c ret e c o mpo s i t e f r a me s t r u c t u re ； e l ast i c p l as t i c e a r t h q u a k e res po n s e； s e i s mi c p e rfo r ma n c e 我国现行抗震设计 规范在总则 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 一 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 1 9 9 0年开始， 蒋丽君等 I 3 j 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 A B A Q U S 对钢柱和钢一混凝土组合梁构 收稿 日期 ： 2 0 0 71 21 0 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 4 3 8 0 2 0 ， 5 0 7 7 8 1 7 7 ) ， 湖南省杰 出青 年基金 资助项 目( 0 7 J J l O 0 9 ) 作者简介 ： 蒋丽 忠( 1 9 7 7 一) ， 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 维普资讯 http:/ 8 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 8年4月 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。 l 组合框架结构分析模型 以 1 个两层钢 一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 2 m0 2 m( 厚 0 0 1 m) 。“ 工” 字梁截面如图 1 所示 ， 混凝土板厚 0 1 2 n l ， 采用双向配筋( 间距 1 5 c m ) ， 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。 立面 图 L 平面圈 图 1 结构尺 寸图 Fi g 1 S t r u c t u r a l d i me n s i o n 饲面图 图 2 “ 工” 字梁截面尺寸 Fi g 2 S e c t i o n s i z e o f t h e Ib e a m 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 C 3 5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 56 和 碳 素结构钢 G B T T 0 0 8 8 修改主要的输人参数如表2 所示， 使 其相当于等级为 Q 2 3 5的钢材。 表 1 混凝土的材料属性 Ta bl e 1 Ma t e ria l p r o p e r t i e s o f t h e c o n c r e t e 注： 弹性模量为 3 1 5 1 0 N mI 2 ； 泊松比为0 2 ； 密度为 2 4t 表 2 钢材的材料属性 Ta bl e 2 Ma t e ria l p r o perti e s o f t h e s t e e l 应力 M P a 应变 2 3 5 2 7 2 4 4 4 0 3 0 7 4 0 3 4 5 6 0 4 0 6 8 0 4 5 9 8 0 3 7 3 5 2 0 0 O 3 8 O 3 0 o 5 6 7 8 0 O 7 5 3 8 0 1 2 0 2 4 0 1 8 8 3 9 0 2 8 6 3 7 注 ： 弹性 模 量为 2 0 61 0 ” N m ； 泊 松 比为 0 3 0 2 8 ； 密度 为 7 8 5t m s 在 A B A Q U S S t a n d a r d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 ( B 3 1 ) ， 混凝 土板采用 4节点缩 减积分格式的壳单元( S 4 R) ， 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 o n s t r a i n t ) 中 的 T I E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 T I E命 令， 柱和梁里 面的钢筋采用 E m b e d d e d r e g i o n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 4 7 g的单向 E 1 C e n t r o波和峰值加速度为 1 7 5 g的单向 T a ft波 ， 这 2个波都分为 5 0 0步加载 ， 时间间隔为 0 0 2 s ， 记 i 1 维普资讯 http:/ 第 2期 蒋丽忠， 等： 钢 一混凝土组合框架结构的地震弹塑性时程分析 9 录时间为 1 0 S 。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。 l 暑 一 魁 口 茕 图 3 E 1 C e n t r o 波形 Fi g 3 Wa v e s h a p e o f E1 Ce n t r o 图 4 r a 波形 Fi g 4 W a v e s h a p e o f T a ft 表 3 结构 自振特性 Ta bl e 3 Fr e ev i b r a t i o n c h a r a c t e r s t i c o f t h e s t r u c t u r e 阶数 l 阶 2阶 3阶4阶 5阶 自振频率 H z 1 6 5 0 3 1 6 8 2 8 2 4 0 1 2 5 3 5 5 8 5 3 7 8 7 阶数 6阶 7阶 8阶 9阶 l O阶 自振频率 H z 7 7 1 3 4 9 5 5 3 3 9 8 9 1 8 1 0 4 3 4 1 0 8 0 4 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 r a y l e i g h阻尼的方法 ， 即 Cn = ao M n+ al Kn； a 0 = 。 这里 = 1 ， = 1 0 ， =0 0 5 ， =0 0 2 ， 可 得 ： 对于混凝土 ， a 0=0 1 4 3 1 6 2 ， a 1 ：0 0 0 8 0 2 9 ； 对于钢材， a 0=0 0 5 7 2 6 5 ， a 1=0 0 0 3 2 1 2 。 2 3 地震 响应 通过 A B A Q U S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 l O ( 图 5 8 所示 为 E I C e n t r o 波作用结果， 图9 和图 1 O 所示为 T a t f 波 作用结果) 。 其 中， “ 相对”是指相对于模型底层即 地面， G H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 Fi g 5 Re l a t i v e a c c e l e r a t i o n -t i me C HI Ve o f t h e f i r s t l a y e r l 暑 一 馏 曩 时间， s 图 6 第 2 层 的相 对加速 度时程曲线 F i g 6 Re l a t i v e a c c e l e r a t i o n t i me c H i v e o f t h e s e c o n d l a y e r 图 7 第 l 层的相对位移时程曲线 Fi g 7 Re l a t i v e v e l o ci t y -t i me C ll l v e o f t h e f i r s t l a y e r 维普资讯 http:/ 1 0 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 8 年 4月 图 8 第 2层的相对位移时程曲线 Fi g 8 Re l a t i v e v e l o c i t y t i me C H I v e o f t he s e c o n d l a y e r 图 9 第 1 层 的相对位移 时程 曲线 F i g 9 Re l a t i v e v e l o c i t y t i me C u F v e o f t h e fi r s t l a y e r 图 1 0 第 2层的相对位移时程 曲线 Fi g 1 0 Re l a t i v e v e l o c i t y -t i me c u Ive o f t h e s e c o n d l a y e r 3 组合框架结构的抗震性能分析 由表 45和图 5 1 O可知 ， 在 E l C e n t r o和 T a t f 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 T a t f 波作用 下， 钢混 结构在 3 8 8 S 时， 达到最大位移第 1 层为 0 1 5 9 m， 第 2层 为0 2 9 m， 但混凝土结构在7 2 S 时， 达到最大位移 ( 第 1 层为0 6 1 2 m， 第2 层为0 7 6 4 m ) 。 混凝土结构 的最大位移为钢混结构的 3 倍多 ， 可见 ， 同种刚度 的组合框架结构比混凝土框架结构具有更好的抗 震I 生 能 。 由文献 2 中的算例可知， 与组合框架 尺 寸相类似 的钢 一混凝土组合结构 ( 由钢管混凝土 柱和钢混凝土组合梁组 成)在峰值加速度为 0 4 1 g的 E l C e n t r o 波作用下 ， 其第 1 层和第 2 层的层间 位移最大均未超过 0 0 1 m， 可组合框架 的层间位移 为其 4 倍多 ， 钢筋混凝土框架为其 5倍多。 综上所 述 ， 钢 一混凝土组合结构的抗震性能优于组合框 架结构的抗震性能， 组合框架结构的抗震性能优于 钢筋混凝土框架结构的抗震性能。 表 4 E l C e n t r o参数 T a b l e 4 P a r a me t e r s o f E l C e n t r o 组合框架 3 5 7 0 5 2 3 3 7 4 5 4 4 3 3 1 3 8 1 2 7 钢筋混凝土框架4 0 4 0 3 8 4 3 8 5 0 3 6 3 5 4 5 036 表 5 T a ft参数 Ta bl e 5 Pa r a me t e r s Ta ft 组合框架 5 7 6 1 7 9 7 4 2 1 5 9 5 5 9 3 32 4 7 6 2 塑堑堡堡堑墨 ： ! ： 塾 ： 堑 ! ： ! ! ： ! 二 ! ： 注： t 为取 得最大值时的时间， s ； U 为第 1 层最大相对位移， m； ， 2 为 第 2层最 大相对位移 ， m； l 为第 1 层最大相对速度 ， m s ； 为第 2 层最大相对速度 ， m s ； Al 为第 1 层最大相对加速度 ， m s ； A 2 为第 2 层最大相对加速度，rn s 2 。 由组合框架和钢筋混凝土框架在 E l C e n t r o 作 用下的应力可知 ， 2种结构在 1 0 S内基本处于弹性 阶段。但在 T a ft波作用下 ， 组合框架中的组合梁在 3 7 8 S 时开始屈服进入塑性状态 ， 且产生最大应力 3 2 48 l 0 7 P a ，最大应力产生在一层 的组合梁端 ； 钢柱在 9 3 4 S 时 开始 屈服进 入 塑性状 态 ， 且 在 9 3 4 S 时产生最大应力为 2 9 21 0 P a ， 最大应 力 产生在钢框架柱脚处。出现塑性铰的时间图如图 1 1 所示 ， 图中数字代表开始 出现塑性铰的时间及 部位。 钢筋混凝土框架中的混凝土梁在 3 1 5 s 时开 始屈服进入塑性状态 ， 且在 4 6 s 时产生最大应力 3 6 7 5 1 0 7 P a ，最大应力产生在一层 的混凝土板与 混凝土框架连接处。混凝土框架由于 内部钢筋分 担了大部分的内力所以其混凝土柱并未屈服， 其内 部钢筋在 5 3 8 S 时开始屈服进入塑性状态 且在 9 5 5 s时产生最大应力 3 6 1 1 0 s P a ， 最大应力产 生在柱脚及距第 1 层节点下部 0 5 m处。出现塑 性铰的时间图如图 1 2所示。 维普资讯 http:/ 第 2期 蒋丽忠， 等： 钢 一混凝土组合框架结构的地震弹塑性时程分析 l l 6 7 0 3 78 6 6 5 寸 n 凝土和组合梁构成 的全组合结构 的抗震性 能要稍 差。通过三维 的弹塑性分析可知 ， 在地震作用下 ， 组合框架的柱脚和第 1层节点处为受力最大的薄 弱环节 ， 在抗震设计中应予 以加强 ， 且从顶层起 ， 向 下每层的层间节点应逐层加强。钢筋混凝 土框架 中的钢筋承受了大部分的地震能量 ， 尤其是在柱脚 及第 1 层节点下部 0 5 m处的钢筋， 设计时， 应取 为首要的验算部位。 图 l l 组合框 架 出铰 图 1 l O c c I l r r e n c e。 r d e r。 f t I 1 e c 。 mp 0 s i t e n e p l a s t i c h i n g e 参考文献 ： 3 1 5 6 27 7 04 3 8 6 卜 n 图 1 2钢筋混凝土结构 出铰 图 r t g 1 2 Oc c u r r e n c e o r d e r o f t h e r e i n f o r c e d c o n c ret e s t r u c t u r e p l as t i c h i n g e 由图 1 1 和图 l 2可以看出， 在相 同地震波作用 下 ， 2种结构的顶层均未 出现 塑性 铰 ， 但第 1 层 出 现的塑性铰较多。钢筋混凝土结构出现的塑性铰 总共 7 个 ， 组合框架结构出现的塑性铰总共 4个 ， 说明组合框架的抗震性能更好。 4 结论 在 T a ft 波作用下钢筋混凝土框架的最大位移 为组合框架的 3倍多， 组合框架的耗能性能比混凝 土框架结构要好 ， 但本文定义的组合框架与钢管混 1 G B 5 0 0 1 l 一2 0 0 1 ， 建筑抗震设计规范 s G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ， C o d e f o r s e i s m i c d e s i g n o f b u i l d i n g s S 2 蒋丽忠， 曹华， 余志武 钢 一混凝土连续组合梁抗震 性能试验研究及理论分析 J 铁道科学与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 ( 3 ) ： 1 8 J I AN G L i z h e ng ，C A O Hu a ， YU Z hi W U E l ast i c p l ast i c e a r t h g u a k e r e s p o n s e o f s t e e l c on c ret e c o mp o s i t e f r a me s t r u t - t u reE 1 J o u r n a l o f R a i l w a y S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 5 ， 2 ( 3 ) ： 1 8 3 钟善桐钢管混凝土结构 M 北京： 清华大学 出版 社 2 0 0 3 ZHONG S h a n - t o n g Co nc ret e f i l l e d s t e e l t u b u l a r s t r u c t u r e s M B e i j i n g ： T s i n g h na U n i v e r s i ty P r e s s ， 2 0 0 3 4 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 S G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ， C o n c r e t e s t r u c t u r e d e s i gn c o d e l S J 5 G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 ， 钢结构设计规范 S G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 ， C ode f o r d e s i gn o f s t e e l s t r u c t ur e s S 6 过镇海 钢筋混凝土原理 M 北京 ： 清华大学出版社， 1 9 9 I9 G U O Z h e n - h a i P r i n c i p l e o f rei nf o rce d c o n c re t e l M J B e i j i ng： T s i n g h u a U n i v e rs i t y P r e s s ，1 9 9 9 7 杜修力 结构动力学E M 北京 ： 机械工业出版社， 2 0 0 5 D U X i u - l i S t r u c t u r a l d y n a m i c s M B e i j i ng： C h i n a M a c h i n e Pr e s s，2 0 0 5 维普资讯 http:/