考慮損傷累積效應的拱形立體桁架結構倒塌分析

摘要：

以實際工程為背景，通過ABAQUS損傷材料子程序對拱形立體桁架結構進行連續倒塌分析，考慮了桿件失穩的影響，研究了該類結構在強震作用下的倒塌破壞機理和破壞模式。結果表明，強震作用下，拱形立體桁架結構桿件損傷不斷累積，剛度逐漸退化，最終失效退出工作。損傷累積效應使桿件應力減小，應變增大，同時節點位移幅值增大。在地震波作用下，中間主桁架柱腹桿最先失效退出工作，隨后失效區域沿主桁架平面外方向擴展并由柱腳發展至結構頂部。地震作用結束后，主桁架1/4跨度處腹桿以及部分長細比較大的柱腹桿發生失穩破壞。考慮桿件失穩的影響，將導致部分桿件提前失效，但對整個結構的破壞模式影響不大。

關鍵詞：

桁架結構；強震作用；倒塌分析；損傷累積；桿件失穩

中圖分類號：TU3933

文獻標志碼：A

文章編號：16744764（2014）04000108

大跨度拱形立體桁架結構作為一種新型空間結構形式，近年在會展中心、體育場館、車站站臺雨棚等大型公共建筑中被廣泛應用。作為大型公共建筑，一旦發生連續倒塌破壞，將會帶來不可估計的人員傷亡和財產損失，因此研究該類結構在強震作用下的抗倒塌性能十分必要。

文獻[1]采用平均反應譜法研究了鋼管拱桁架在地震荷載作用下的動力響應，分析了多點激勵方式對結構地震響應的影響。文獻[2]采用多模態推倒分析方法對鋼管拱桁架在罕遇地震作用下的抗震性能進行了研究，并考慮了壓桿失穩對結構抗震性能的影響。文獻[3]對強震作用下大跨度拱形立體桁架結構的動力失效機理、整體倒塌判別準則進行了研究。文獻[4]考慮了損傷累積效應對鋼管拱桁架抗震性能的影響。以上研究大多選取單榀拱形立體桁架為研究對象，而整體結構的連續倒塌破壞機理、破壞模式等還有待深入研究。目前，結構連續倒塌分析方法主要包括備用荷載路徑法、增量動力分析法等。備用荷載路徑法大多局限于鋼框架結構[57]、鋼屋架結構[8]和多高層RC框架結構[910]等梁柱結構體系以及具有平面對稱性的網格結構[11]體系，忽略了構件失效的原因并需假定失效構件位置。而對于拱形立體桁架結構而言，桿件數量眾多，且失效位置并不確定，通過移除某根或某幾根桿件并不會引起結構的連續倒塌，采用備用荷載路徑法將導致計算量龐大且效率較低。

針對以上問題，本文采用考慮損傷累積效應的方法對拱形立體桁架結構進行倒塌分析。目前適用于鋼結構的累積損傷破壞準則主要包括：累積塑性變形準則[1213]、最大主應變破壞準則[14]和能量耗散準則[15]等。本文采用了累積塑性變形準則，以實際工程為背景，編制了ABAQUS損傷材料子程序，考慮了損傷累積效應和桿件失穩的影響，給出了結構連續倒塌破壞的能量判別準則，研究了該類結構在強震作用下的破壞機理和破壞模式，并分析了損傷累積效應對桿件內力和節點位移的影響。韓慶華，等：考慮損傷累積效應的拱形立體桁架結構倒塌分析

1考慮損傷累積效應的材料子程序

11理想彈塑性材料模型

在有限元分析過程中，材料模型的主要任務是實現各增量步之間的應力傳遞，根據傳入的應變增量計算應力增量。對于彈塑性模型，要保證更新后的應力狀態滿足一定要求。如果在增量過程中發生了屈服，那么更新后的應力狀態點應該落在更新后的屈服面上。

應力更新算法主要分為兩步，一是彈性試算，二是對彈性試算應力進行塑性修正，確保應力狀態點不超過屈服面。

彈性試算時假定當前增量步的應變增量為彈性應變。規定各變量在增量步開始、結束時上標分別為0和t，則σ0表示增量步開始時的應力，σt為增量步結束時的應力。e表示彈性階段，根據胡克定律有