鋼框架結(jié)構(gòu)抗震性能有限元分析

李玥 姜佩弦 董新元 王茜 王宏

【摘 要】 抗震設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面，加之近期世界多個(gè)地區(qū)頻繁發(fā)生地震，又將結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提升到了一個(gè)新的高度。鋼結(jié)構(gòu)作為建筑材料的一種，擁有較好的抗震性能。本論文應(yīng)用ABAQUS數(shù)值分析軟件，以一個(gè)六層的小型鋼結(jié)構(gòu)的框架結(jié)構(gòu)為例，討論研究了鋼結(jié)構(gòu)建筑物的抗震性能。

【關(guān)鍵詞】 鋼框架結(jié)構(gòu) ABAQUS 抗震性能 承載力

中圖分類號(hào)：TU528.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 ABAQUS有限元模型設(shè)計(jì)

1.1鋼結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)

本文的模型是鋼結(jié)構(gòu)框架組成的建筑結(jié)構(gòu)，高6層，共21.6m。地震荷載采用1s時(shí)間跨度的天津波。材料屬性信息如下：

樓板為鋼筋混凝土，彈性模量3 .8e10N/㎡，泊松比0.24，密度2400kg/m?。樓板厚0.1m。樓板上布設(shè)鋼筋規(guī)格：鋼筋直徑為16mm，鋼筋間距為100mm。

梁和柱采用鋼材，彈性模量2.1e11N/㎡，泊松比0.3，密度7850kg/m?，屈服應(yīng)力3.45e8 N/㎡，塑性應(yīng)變?yōu)?。梁采用250*250*10*10的H型鋼，柱采用400*400*20的箱型鋼。

鋼筋特性：彈性模量2.0e11 N/㎡，泊松比0.3，屈服應(yīng)力2.35e8 N/㎡，塑性應(yīng)變0，密度7800 kg/m?。

1.2 建模過程

（1）部件

點(diǎn)擊左側(cè)工具區(qū)的創(chuàng)建部件按鈕，在三維模型空間下，用殼單元建立樓板，用線來創(chuàng)建結(jié)構(gòu)的梁和柱，并分別命名為“zhongjianqiang”、“l(fā)ouban”、“l(fā)iang”、“zhu”。（2）創(chuàng)建材料和截面屬性

（2）部件

點(diǎn)擊創(chuàng)建材料，創(chuàng)建屬于樓板和剪力墻的混凝土及其所配鋼筋的屬性、柱子和梁的鋼材屬性，包括密度，彈性，塑性等。

點(diǎn)擊創(chuàng)建剖面，分別創(chuàng)建250*250*10*10的H型鋼和400*400*20的箱型鋼剖面。

點(diǎn)擊創(chuàng)建截面，首先類別選殼，類型為均質(zhì)，為樓板和剪力墻創(chuàng)建厚度并且配筋。再創(chuàng)建類別和類型均為梁的截面，分別為梁和柱配備不同剖面的鋼材。

點(diǎn)擊指派截面，把對樓板、梁、柱和創(chuàng)建的截面分別指派。

最后點(diǎn)擊指派梁方向，對梁和柱進(jìn)行方向指派。

（3）裝配和相互作用

點(diǎn)擊創(chuàng)建實(shí)例，把需要的部件添加進(jìn)來，包括創(chuàng)建的梁，板，柱。定要在相互作用里用約束命令將每層的梁和板綁定在一起。

（4） 設(shè)置分析步

點(diǎn)擊創(chuàng)建分析步1，程序類型為通用，靜力通用，點(diǎn)擊繼續(xù)，然后不改變?nèi)魏螀?shù)，點(diǎn)擊確定。分析步2，程序類型為通用，動(dòng)力，隱式。

（5） 定義荷載和邊界條件

點(diǎn)擊創(chuàng)建荷載按鈕，分析步選擇Step-1，分析步類型為重力，在Y分量上即第2個(gè)分量中填入-9.8表示結(jié)構(gòu)受到向下的重力為結(jié)構(gòu)自重乘以9.8。

點(diǎn)擊創(chuàng)建邊界條件，分析步選擇Step-1，首先對底部約束，分別將位移和轉(zhuǎn)交固定，即將U1到U3和UR1到UR3勾選，相當(dāng)于固定于地面上。之后施加X方向的地震作用，分別勾選A1和A3，并分別添加1s東西向和南北向的天津波幅值曲線。最后再把BC-1的Step-2的狀態(tài)設(shè)置為未激活。

（6） 劃分網(wǎng)格

點(diǎn)擊按鈕，對板進(jìn)行布種，選用適當(dāng)?shù)谋壤蜃印Ｖ笥妹顒?chuàng)建網(wǎng)格。

（7）提交分析作業(yè)

創(chuàng)建作業(yè)。

點(diǎn)擊作業(yè)管理器，提交分析作業(yè)，可監(jiān)控分析過程直至完成作業(yè)。

1.3數(shù)值分析結(jié)果

（1）變形圖

從下圖可以看出，變形后整體結(jié)構(gòu)的變化。

（2）加速度

結(jié)構(gòu)六層梁柱角節(jié)點(diǎn)的空間加速度-時(shí)間變化圖，選取A1（x軸）方向，如下圖示：

2 結(jié)論

通過對ABAQUS軟件模擬分析可知，鋼框架結(jié)構(gòu)在地震的荷載作用下（主要是地震力水平荷載）建筑物樓層的每一點(diǎn)均有移動(dòng)。其中，建筑物底層和頂層的樓板移動(dòng)較為明顯，而中間樓層的樓板移動(dòng)較小。

分析原因有以下幾點(diǎn)：

（1）本框架結(jié)構(gòu)中，梁、柱是結(jié)構(gòu)承受地震作用的主要構(gòu)件，其中柱承擔(dān)了地震作用引起的水平剪力。

（2）經(jīng)模擬研究分析表明，鋼框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，符合延性設(shè)計(jì)的理念。這主要是由于鋼結(jié)構(gòu)本身延性好的原因，在地震來臨時(shí)，可通過自身的拉伸，扭轉(zhuǎn)等吸收、耗散地震能量，使建筑物不至于突然倒塌。鋼框架結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)合理的前提下，可以做到 “小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)計(jì)思想要求，其各項(xiàng)抗震性能指標(biāo)滿足規(guī)范要求，因而鋼框架結(jié)構(gòu)是一種具有優(yōu)越的抗震性能、可在高層建筑中廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)體系。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 黃襄云，周福霖.鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)地震模擬試驗(yàn)研究[J].西北建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，17（3）：14—17.