高层钢-混凝土混合结构破坏过程的数值模拟分析.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 高层钢一混凝土混合结构破坏过程的数值模拟分析 陆铁坚许军 ( 中南 大 学 土 木 建筑 学 院 ) 【 摘要】 本文利用 A B A Q U S 通用有限元程序对钢框架一钢筋混凝土核心筒混合结构的破坏过程进行数值 模拟分析。此类结构在弹性阶段 ，芯筒承担绝大部分的水平力，一旦芯筒开裂，钢框架开始承担大部 分水平力，且随着地震作用的加强，承担比例不断加大，钢框架起到了抗震第二道防线的作用。芯筒 在地震往复作用下首先在底部开裂，随着损伤不断积累，底层几乎全部开裂，中部沿楼板四周也开裂。 框架在 中震与大震作用下均外于弹性阶段 ；特大震作用下，先底柱后 中部梁出现塑性绞。楼板在地震 作用下产生 了较大变形，在与芯筒和钢框架梁相连部位 均产生 了大量裂缝。 【 关键词】 高层建筑钢框架一钢筋混凝土核心筒结构 受力性能A B A Q U S 1 引言 随着现代建筑高度 的不断增加 ，混合结构体系 在高层建筑中已广泛应用， 但 国内外对该结构形式的 抗震性能存在着很大的争议：该种结构在大震作用下 是否是双重抗震体系，如何 调整框架 的水平地震力 等。国内已对这种结构进行过一些静动力试验 ，但是 静力试验并不能很好的反映这种结构动力特性 ， 振动 台试验因受试验设备的制约 ， 很难真实 的模拟竖 向荷 载 的作用 ， 而现有拟动力试验最多只进行了两 自由度 的试验 。 利用通用有 限元程序对研究对象进行三维仿 真试验模拟 ，是一种很好的研究方法 ，在定条件下 它可 以部分代替试验，并获取任意你感兴趣的数据。 A B A Q U S以其杰出的非线性计算能力 ，获得 了广泛认 同。本文利用该软件对钢框架 一 钢筋混凝土核心筒混 合结构进行仿真试验模拟， 并与已有的试验结果进行 比较 ，明确此类 结构 的地 震反应特 征 。 2 分析模型 2 1结构模型 按规范要求设计了一 1 5层混合结构 ，每层层高 4 m ，其平面如图 1 所示，芯筒面积约 1 1 1 ，外钢框 架均采用箱形截面 ，钢柱采用 6 0 0 m m6 0 0 ra m ，梁采 用 4 0 0 m m4 0 0 m m ，壁厚均为 2 0 m m ，钢筋混凝土楼板 厚 2 0 0 m m ，中1 0 1 5 0 双向双层配筋 ，芯筒壁厚 4 0 0 m m ， 中 1 5 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 。A B A Q U S中三维模型如 图2所示。 陆铁坚， 男， 中南大 学 土木建筑学 院 地址 ： 湖南长沙 邮编 ： 4 1 0 0 7 5 邮箱：x j 7 8 1 1 1 2 1 6 3 t o m 2 或 I |、j l 、 E 三 r 、一 l _ U ； j艇 ,I r n j j 4 r n 3扣 1 图 1结构平面图 Fi g 1 PI an e fr a me wor k di s po sa Z 图 2 结构三维 图 Fi g 2 T hr ee di me nsi o n fr a me wor k 9 7 维普资讯 http:/ 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 2 2材料本构 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 了A B A Q U S中混凝 土损伤塑性本构关系 ，这种本构的有效性及详细介 绍可参考 A B A Q U S例题手册和 A B A Q U S验证手册 。 本模型中楼板与芯筒中钢筋用 A B A Q U S中的钢筋层 ( r e b a r l a Y e r )模拟 。粘结滑移用拉伸 强化 ( t e n s i o n s t i f f e n i n g )来模拟。开裂、损伤与 刚度恢 复通过受拉 ( d+ ) 、受压 ( d )损 伤 因子 、 刚度恢复因子 ( c o n c r e t e d a m a g e p a r a m e t e r ，c o n c r e t e r e c o v e r y p a r a m e t e r)来综合模拟 ，其值 均在 O 一 一 1 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 的情况， 可以知道混凝土裂缝发展和分布 。模型中钢 框架 、钢 筋 的本 构关 系采用 了标 准金 属塑性 模型 ( C l a s s i c a l m e t a l p l a s t i C i t y ) ，屈服 强 2 3 5 M P a 。 钢筋混凝土与钢材本构 中参数数值参照文献 3 、4 采用 了文献 8 中数据 。 2 3单元选择 钢框架柱 、梁选用一次梁单元 ( B 3 1) ，楼板 和芯筒选用 了一次减缩积分 四边形壳单元 ( S 4 R ) 。这 两种单元是强健的，适合应用于广泛的问题，且可 以 在 A B A Q U S中显式和隐式求解器中通用，因为本文要 用到上述两种求解器 ，故选用上述单元 。 2 4阻尼选择 在许多实际应用中，材料阻尼是主要 的，且材 料 中 阻尼 力 本质 上 是粘 性 的 6 。本 文 中选 用 了 A B A Q U S中的复合阻尼 ，即对钢筋混凝土与钢材分别 定义一个临界阻尼 比 ，材料阻尼矩阵按瑞利阻尼 确定 ，C - ， 假设振型阻尼比 = = 时， a= 2 ( + ) ，B= 2 ( + ) ； ： 、 要覆盖结构分析中感兴趣 的频段 ，根据作 用于结构上的地震频谱特性和结构动力特性综合考 虑。本文中 = 4 、 = 3 0 ，混凝土 = 5 ， 钢材 ： 2 。分析知 ，当结构振动频率在 ； ， ： 区间 时，阻尼 比将 小于或等于给定阻尼 比 引，结构分析 偏 于保 守，这符合 工程 需要 。 2 5整体建模过程 ( 1 )分别在 A B A Q U S的C A E中建立框架 、楼板 、 芯筒三个部件 ( P a r t) 。 ( 2)按空间位置把三者组装 ( a s s e m b l Y ) 在一 起 。 ( 3)分别在三个部件上划分网格 ( me s h )，网 9 8 格划分时注意使连接边的节点相对应 。 ( 4 )建立约束关系 ( i n t e r a c t i o n ) 模拟三者之 间的连接 。楼板与钢框架梁通过剪力件连接一起 ， 把连接边上对应结点绑定 ( t i e)X、Y、z三个 自 由度 。楼板与芯简现浇在一起 ，连接边上对应结点 绑定 ( t i e)六个 自由度 。钢框架连梁与芯筒在芯 筒角点处设计 为绞 接，绑定 ( t i e)X、Y、z三 个 自 由度 。 ( 5)建立分析步 ( S t e P ) ，选择求解器 ，并根 据 分析 目的选择输 出变量 。本文 中对结 构静力 加 载，为了得到结构力 一 位移 曲线 的下 降段 ，使用显 示求解器 ( e x p l i C i t ) 。地震动力分析 中选用 隐式求 解器 ( S t a n d a r d) 。 ( 6)施加边界条件 ( B C ) 与荷载 ( 1 O a d ) ，本文 中不考虑结构地基 与基础的相互作用 ，两者之 间视 为固结 。静力分析 中楼面活载为 2 k N m z ，动力分析 中按规范要求取楼面活载的 5 0 ，即 1 k N m 。静力 分析中为了得到力掴灰魄 叩南陆刀危慰挤较 8 在顶层加 2 5 m的 x向水平位移 。动力分析中分别在 结构底部x 方 向加 E L C e n t r o 和T a f t 两条地震波，持 时各为 l O s ，时间间隔 0 0 2 s ，加载工况如表 1 所示。 ( 7 ) 建立作业 ( j o b ) ，提交分析。本文 中静力 分析计算约 2 0小时，动力分析计 算每工况约 1 0小 时。 ( 8)后处理 ( v i S u a l i z a t i o n )，整理分析结 果。 各加 载工况 表 1 T a bI e 1 i n p u t e a r t h q u a k e E L C e n t r o E L C e n t r o E I C e n t r o 工 况 T a f t T a f t T a f t a 艄x 0 47 g 1 g 2g 8度 9度 9 度 烈度 罕遇 烈度 罕遇 烈度 罕遇烈度 3 计算结果分析 3 1 静 力结果分析 结构顶部加 2 5 m位移时，底部反力等于加在顶 部的力，底部框架与芯筒各 自X向反力可分别视为各 自承担 的水平力 ，其值如 图 3所 示。 当芯筒反力 曲线与结构反力 曲线在顶位移小于 0 1 5 m时，两者几乎重合，说明芯筒承担 了绝大部 分的水平力。在顶部位移 0 2 2 m时， 芯筒反力达到 极值点，芯筒第一层楼板处产 生水平拉裂缝 ，上部 芯筒角点与钢连梁连接处也产生了L 形裂缝，如图4 a 维普资讯 http:/ 2 0 0 7 年 1 2月 第 4卷 第 4期 深圳土木与建筑 Dis p l a c e me n t ( m) 图 3 顶层位移一底 部支座反 力 Fi g 3 C U r Y e S o f t o p di s pI a c e m e n t v e t S U S b o t t o m r e a c ti o rf o r c e 所 示 。随着裂缝产生 ，芯筒 反力 曲线产生 了拐 点， 此 时，框架承担的水平力增大，且超过芯筒 ，其走势 与总反力曲线一致 。 在项层位移 0 5 m 时， 钢框架反力 曲线开始转折， 这时， 加载方 向的框架底部开始屈服 ， 出现塑性绞 ，后中部的梁也开始达到屈服应力 ，但这 些部位柱的应力为2 0 0 M P a 左右 ， 未达到屈服应力。 钢 连梁此时应力均较小， 框架应力分布如图 5所示。此 后 ，框架反力与总反力 曲线都出现一平台期，顶部位 V a 顶部位移 0 2 2 m时 b顶部位移 2 5 m时 V l c顶部位移 2 5 m时 ( 第八 层楼 板变形扩大 8倍 ) 图 4 d 分布图 移不断增加 ，反力持续，直到位移 2 2 5 m时出现下 降段 。正如文献 9中试验 描述 的：“ 说 明结构在 加载 的后 期 ，其变形性 能仍然 非常好。 ”钢框架后 期承担 了总水平力 的 7 5 。后期，塑性绞不断在框 架 中部梁 端形成 ，柱 的应力 缓慢 增长 ，但均 小于 2 3 5 M P a ， 未达屈服应力。 在项部水平位移不断增大到 2 5 m时，通过拉伸 损伤 因子 的变化过程可知 ，芯筒受拉侧底部 的裂缝 不断扩展 ，且呈交叉状 ；顶部加载端楼层楼板附近 及上 部芯筒角部与钢梁相接部位也出现裂缝 ，如图 4 b所示 。正如文献 9 描述 ：“ 从裂缝分布来看 ， 明显地集中出现在两个 区，即底部 12层及 1 2 层 以上 区域 。其中，受力方 向剪力墙 的裂缝主要分为 梁支座下裂缝和墙肢斜裂缝两类 。因此 即使在模型 破坏阶段，支座区域仅发生一些绕支座预埋件的U 形 或 L 形裂 缝 。 ” 加载期间，芯筒并没出现脆性破坏立 即退出工 作 ，而 出现一平 台期 ，反力维持在 6 0 0 0 k N左右 。 在项部位移 2 0 m时，出现一下 降段，通过 A B A Q U S 的钢筋 应力结果文件知 ，此 时芯筒钢筋开始屈服 。 项层位移 2 5 m时，受压侧的混凝土 已达到最大压应 力 ，并开始下 降，此时受压损伤 因子为 0 3 ，受压 裂缝开始出现 。加载过程中，钢框架与芯筒始终协 同工作，这与文献 9 中试验 结果是一致的。 项层位移 0 5 m时，楼板沿芯筒四周开始 出现裂 缝 ，之后 不断增 多，项层位 移 2 5 m时，垂直于加 载方 向与钢梁连接部也出现裂缝 。楼板产生较大变 形 ，如 图 4 c所示 。 3 2 动力分析结果 结构 自由振动频率如表 2所示 。 E L 。 C e n t r o 地震波三种工况下的顶点相对位移如 图 6 a所示 。三种工况下顶点最大位移均发生 3 。 8 s 左 右 。峰值加速度 0 4 7 g 、1 O g工况下最大位移均不 超过 0 2 2 m 。峰值加速度 2 0 g时，顶部最大位移 0 。 2 9 m 。 E L C e n t r o 地震波峰值加速度值 0 4 7 g时，框架 最大仅承担 3 1 总水平力的，而芯筒最少也承担 了 6 9 的总水平力，大部分时间芯筒承担 8 0 以上总水 平力， 如 图 7 a所示 。1 。 0 g时，框架承担水平力最大 达总水平力 的 4 5 ，如 图 7 b所示。2 0 g时，大部 分地震作用 时间中，框架承担的水平力 已超过芯筒 承 担 的水 平力 ，其承 担 的总水平 力百分 比最高达 6 0 ，如 图 7 c所 示。 E L 。 C e n t r o 地震波峰值加速度 0 4 7 g时，通过拉 99 u Z 维普资讯 http:/ 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 伸损伤因子分布 图和 M i s e应力 图知 ，除了芯筒底部 洞 口四角 受拉开裂 以外 ，其它 部位 都处 于弹性 阶 段。1 0 g时，芯筒底部开始 出现水平裂缝 ，框架 处于弹性阶段 ，且应力较小 。2 0 g时，整个底层 芯筒在地震往复作用下都出现裂缝 ，如 图8 a所示。 地震作用 3 8 s后，框架底柱达到最大应力 2 2 9 M P a ， 但小于屈服应力 2 3 5 M P a 。 T a f t 地震波三种工况下的顶点相对位移如 图 6 b 所示，最大位移均发生 7 S左右。峰值加速度 2 0 g 结构自振频率 表 2 1 阶l 2 阶l 3 阶l 4 阶I 5 阶I 6 阶 4 7 9 l 6 5 1 I 7 6 1 I 1 5 9 l 2 4 6 I 2 7 7 图 5 框架应 力图 ( 顶层位移 2 5 m) me ( s 1 a E L C e n t r o 波 1 0 0 T ime ( s 1 b E L C e n t r o 波 1 O g 图 6顶部位移一时 间 时，顶点最大位时最大位移达 0 9 6 m；大部分时间 中，框架承担 8 0 以上的总水平力 ，如 图 7 d所示 ； 芯筒底部及 上部与楼板相连处均开裂，如 图 8 b所 示 ；框架先底部柱屈服 出现塑性绞 ，后中部梁也开 始屈服 ，其应力分布如 图 9所示 。地震作用后期， 楼板变形严重 ，与芯筒和钢梁 相接 部分都 已开裂 ， 如 图 8 C所示。图 8 a与 b比较知 ，地震波 的不 同， 芯筒破坏程度也大不相同。 综观加载 的六个工况 ， “ 从整个破坏形态来 me ( s ) a E L C e n t r o波 0 。 4 7 g T ime ( s ) b EL Ce nt ro me ( s 1 c E L C e n t r o 波2 。 O g me ( s ) d T a t f 波 图 7底部 反力一 时间 维普资讯 http:/ 维普资讯 http:/