钢框架-钢筋混凝土核心简结构的动力弹塑性分析.pdf

2 0 0 7年 1 2月 第 4卷 第 4期 深圳土木与建筑 V O L ． 4 N o ． 4 D E C 2 0 0 7 钢框架 一钢筋混凝土核心简结构 的动力弹塑性分析 尧 国皇 黄用军 宋宝东 ( 中建国际 [ 深圳] 设计顾问有 限公司) 【 摘要】 基于大型通用有限元软件 A B A Q U S 对一钢框架一 钢筋混凝土核心筒结构的动力弹塑性性能进行了 初步研究，研究了这类结构体 系在地震作用下的混凝土损伤机制和框架与核心筒之间的剪力分配等，本 文的研究成果可为同类研究提供参考。 【 关键词】 混合结构动力弹塑性有限元时程分析塑性损伤模型 1前言 我 国超 高层建筑传统地采用钢筋混凝土结构体 系，而钢 一 混凝土混合结构在我 国超高层建筑 中应用 只是近十年才兴起的。 钢 一 混凝土混合结构体系融合 了钢结构体系和混凝土结构体系的优点，承载力高、 延性好、 变形能力强，从而具有较强的抗风和抗震能 力，并且具有较好 的综合经济效益 [ 1 ] 。目前落成的 赛格广场大厦、香港中环东北大楼、长江中心大厦 、 上海金茂大厦、深圳地王大厦、台北 国际金融 中心 ( 1 0 1 广场 ) 、高雄国际广场大厦、北京 L G 大厦，均采 用 了混合结构体系， 这种结构体系越来越受到结构工 程师的青睐。 《 高层建筑混凝土结构技术规程》 [ 。 ] 给 出 了混合结构体系的定义，上海市工程建设规范 《 高层 建筑钢 一混凝土混合结构设计规程》 ⋯则对 《 高规》 中混合结构体系的范围作 了扩展，指出：混合结构指 钢框架 ( 或钢支撑框架 ) 或钢组合框架与钢筋混凝土 筒体 ( 或钢筋混凝土剪力墙 ) 共同工作所构成 的结构 体系， 其中钢组合框架包括型钢混凝土柱框架和钢管 混凝土框架。2 0 0 4 年福建省也颁布了 《 钢一混凝土混 合结构技术规程》 ，这些规程的颁布可进一步促进 了 混合结构体系在实际工程的应用。 但是国内外对这类 结构的的整体受力性能的实 验研究和理论研究还不够充分和完善， 对其水平受力 的特点缺乏足够的认识， 尤其对其地震作用下的性能 的研究更为少见，目前还没有专门针对混合结构的国 家标准 ( 规程 ) ，因此 ，对这类 结构 的受 力性能 ， 尤其是动力弹塑性性能 的研 究就显得尤为重要。本 文基于大型通用有限元软件 A B A Q U S对一钢框架 一钢 筋混凝土核心筒结构的动力弹塑性性能进行了初步研 尧 国皇，男，中建 国际 ( 深 圳 )设计顾 问有 限公司 地址 ： 深圳市福 田区福华一路 9 8号卓越大厦 5 楼 邮编 ： 5 1 8 0 3 1 5 6 究，研究 了这类结构体系在地震作用下的混凝土损 伤机制和框架与核心筒之 间的剪力分配等，本文的 研 究成果可为同类研究提供参考 。 2 有限元模型 的建立 A B A Q U S由美国H K S公司开发 ，以其优异的非线 性计算能力以及强大的二次开发功能而著称 ， 并且具 有丰富的单元库和材料模型。 它具有强大的工程计算 仿真模拟能力， 其解决 问题的范围从相对简单 的线性 分析到许多复杂的非线性问题。 2 ． 1材料本构关系模型 钢材采用 A B A Q U S软件 中提供等向弹塑性模型， 满足 V o n M i S e s屈服准则，这种模型多用于模拟金 属材料 的弹塑性性 能。用连接给定数据点的一系列 直线来平滑地逼近金属材料的应力 一应变关系 。该 模 型采 用任 意多个 点来 逼近实 际 的材料 行 为 ，因 此 ，就非常接近真 实的材料行为。塑性数据将材料 的真实屈服应力定义为真实塑性应变 的函数 。 混凝土材料采用A B A Q U S 软件中的塑性损伤模型 [ 6 ] 。图 1 给出了混凝土试件从应力 一 应变关系曲线软 化段某一点卸载 ，卸载 响应变弱，即材料的弹性刚 度 出现损伤 。在拉伸和压缩实验中，弹性刚度 的损 伤 显著不 同 ，不 管哪 种情况 ，随着 塑性应 变 的增 长 ，损伤 效应 越 明显 。 混凝土的损伤 响应 由两个单轴损伤系数 、 来衡量 ，它们是塑性应变、温度和场变 量的函数 ： ． pl d = d t ( ， ， ) ( 0 d 1 ) ( 1 a ) pl d 。 = d c ( e 。， ， ) ( 0 d 。 1 ) ( 1 b ) 若 E 0 代表材料 的初始 ( 无损伤 )弹性模量，混 凝土的单轴拉伸和压缩荷载作用下应力一 应变关系可 维普资讯 2 0 0 7 年 1 2 月 第4卷 第4 期 深圳土木与建筑 V O L ． 4 N o ． 4 D E C 2 0 0 7 以表 示 为 ： p l = ( 1 一 d ) ‘ E o ( 一 t ) ～ p l = ( 1 一 d 。 ) ‘ ( 。 一 c) ( a )拉伸情 况 ( 2 a ) ( 2 b ) ( b) 压缩情况 图1单轴拉伸和压缩荷载作用下混凝土的响应 在单轴拉伸荷载作用下 ，裂缝沿垂直于应力的 方 向扩展，因此裂缝的结核和传播导致承载面积减 小，从而导致有效应力的增加。在单轴压缩荷载作用 下，由于裂缝沿着加载方向开裂，损伤效应没有拉伸 荷载作用下显著，然而 ，当受压程度相当高时，有效 承载面积也要大为减小。 为了验证本文所选择 的混凝土模型，对 K u p f e r 等 ( 1 9 6 9)进行的单轴受 压、等双轴受压 、不等 双轴受压和一拉一压受力状态下素混凝土试件应力 一 应变关系 曲线进行 了验算 如 图 2所示 ， 方向为 主受压轴方 向。可见 ，计算结果与实验结果吻合较 好 。 从图 2比较结果可见，混凝土 的塑性损伤模型 可 以较好的模拟混凝土在单轴 、 双轴等复杂受力状态 下的工作性能。混凝土 的塑性损伤模型可 以模拟混凝 0 l 0 0 0 2 0 0 0 3 0 00 4 0 0 0 ￡ ( ￡ ) ( 1 ) 单轴 受压 0 l 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 ￡ ( u z ) ( 2 ) 等双轴受压 0 l 0 0 0 2 0 0 0 3 00 0 4 0 0 0 ￡ ( ￡ ) ( 3 ) 不等双轴 受压 0 5 00 l 0 0 0 l 5 0 0 2 0 00 ￡ ( u z ) ( 4 ) 一压一拉 土 的塑 性 性 能 和 在 往 复 荷 载 作 用 下 的 刚度 退 化 ( H i b b i t t ，2 0 0 3 E 。 ) ，它使用非关联多硬化塑性和各 向同性损伤弹性相结合的方式描述混凝土破碎过程中 5 7 维普资讯 2 0 0 7 年 1 2月 第 4卷 第 4 期 深圳土木与建筑 V 0 L ． 4 N o ． 4 D E C 2 0 0 7 ( 5 ) 一压一拉 ￡ ( ) ( 6 ) 一压一拉 图 2素混凝土实验曲线与计算曲线的比较 发生的不可恢复的损伤 ，这一特性使得塑性损伤模 型具有更好 的收敛性 。 2 ． 2单元类型的选择 模型中的钢梁、钢柱的剪切变形的影响不是非 常重要但必须考虑 ，因此采用三维一阶梁单元 B 3 1 是 比较合 适 的 。 钢筋混凝土核心筒和楼板采用四节点减缩积分格 式的壳单元 ( S 4 R ) ，为满足一定的计算精度 ，在 壳 单元厚度方 向，采用 9个积分点的 S i m p s o n 积分 ( 缺 省值为 5个积分点) 。S 4 R单元允许沿厚度方 向的剪 切变形 ，随着壳厚度的变化 ，求解方法会 自动服从 厚壳理论或薄壳理论 ，当壳厚度很小时，剪切变形 很小，并且考虑有 限薄膜应变和大转动 ，属于有限 应变壳单元 ，适合大应变的分析 。钢筋混凝土核心 筒和楼板采用软件中相关命令进行配筋设置 。 2 ． 3分析步骤和边界条件 首先计算模型的动力特性 ，并与 E T A B S软件 的 计算 结果进行 比较 ，在相互验证 的基础上 ，然后对 模 型施加 自重荷载 ，最后对 计算模 型施加 地震波 。 模型所有节点之 间的连接均为刚性连接 。地震加速 度施加在基底所有节点上。图3 给 出了有限元计算模 型 ，由于本文 的研 究只是 阶段性 的研究 结果 ， 因 5 8 此 ，在有 限元模 型的建立时进行 了一些简化 ，如核 心筒剪力墙无开洞等 。 弹塑性时程输入 E l C e n t r o N S 波 的加速度记 录 ，峰值加速度调整为 4 0 0 g a l ，加速度时程如图 4 所示，受计算条件限制 ，本文只采用 E 1 C e n t r o 地 震的前 1 0秒记录，在结构的Y轴方向输入上述地面 加 速 度 。 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 ^ 、 0 bO 一 1 0 0 —2 0 0 -3 0 0 ．4 0 0 图 3有限元计算模型 O 2 4 6 8 1 0 t ( S ) 图 4 E J c e n t r o 地震加速度时程 3 有限元分析结果 为了确保 A B A Q U S非线性结构分析模型在构件进 入弹塑性阶段之前，计算模型的动力特性与 E T A B S 软 件弹性分析模型保持一致，对两个程序计算的周期 和振型进行对 比。下表给 出了 A B A Q U S 模 型和 E T A B S 模型前 3个振型及周期的对比。图 5 则给出前 3个振 型的变形形状对 比，结果显示，A B A Q U S弹性模型与 E T A B S 弹性分析模型的动力特性是一致的。 前三阶周期比较 ( s ) 表 1 振型I A B A Q U S 分析结果 I E T A B S 分析结聚 说明 1 I O ． 5 2 8 3 I O ． 5 2 6 9 l均为 Y向平动 2 l O ． 3 6 3 6 I O ．3 6 1 7 I均为x 向平动 3 I O ． 3 0 2 2 l O ．3 3 1 6 l 均 为扭转 维普资讯 2 0 0 7 年 1 2 月 第4 卷 第4 期 深圳土木与建筑 V O L ． 4 N o ． 4 D E C 2 0 0 7 ( a )A B A Q U S第一阶模态 ( b )A B A Q U S第二 阶模 态 ( a ) E T A B S 第一阶模 态 ( b )E T A B S 第二阶模态 ( c )A B A Q U S第三 阶模态 ( c )E T A B S 第三阶模态 图5前三阶模态的比较 ( 1 ) 受拉损伤 ( 2 ) 受压损伤 图 6 核心筒的混凝土损伤情况 图 6给出了 5 S时刻核心简体剪力墙 的受拉损伤 和受压损伤情况，从图中可见，对于本计算模型，最 大受拉损伤和最大受压损伤均 出现在核心简体剪力墙 的底部区域， 在该时刻，混凝土最大受拉损伤达 9 9 ％ ， 而最大受压损伤为 3 9 ． 6 ％ 。 图7 给出整个时程 中外框架与核心筒之问的剪力 分配情况，可见 ，钢筋混凝土核心简体承担 了绝大 部 分 的剪 力 ，框 架钢 柱承担 的剪 力随着 钢材 的屈 服 ，份 额也 不 断 降低 。 t ( S ) 图 7 框架 与核心筒之间 的剪 力分配 4结论 基于本文 以上 的研究，可得到初步结论：在选 择了合理的钢材和混凝土的本构关系模型的基础上 ， 利用通用有限元软件A B A Q U S 对钢框架一 钢筋混凝土核 心筒结构 的动力弹塑性性能进行 了初步研究 ，研究 了这类结构体系在地震作用下的混凝土损伤机制和框 架与核心筒之 间的剪力分配等。 需要说明指出的是， 本文 的研究只是一阶段性的 研究成果，随着研究工作的不断深入，这类结构体系 的的动力弹塑性性能也将得到更为深入的了解 。 参考 文献 [ i ] 李 国强，张洁 ，上海地 区高层建筑 采用钢 结构与混凝 土结构 的 综 合经济 比较 分析 ，建筑 结构学报 ，2 0 0 0，2 i ( 2) ：7 5—7 9 [ 2] 黄用 军，尧 国皇 ，超高层钢 结构 与钢筋混凝 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