伸臂桁架簡化模型滯回曲線的模擬研究

李菁

（青海大學土木工程學院，西寧810016）

1 引言

近年來，超高層建筑發展迅速，建筑的高度不斷被刷新，水平作用成為結構設計的重要因素。如何有效控制高層建筑水平側移成為工程設計當中的關鍵難題。近年來，越來越多的超高層建筑采用設置伸臂桁架，將外圍框架與核心筒聯系起來【1～5】，通過外框架的軸向變形來承擔結構的傾覆力矩，提高結構的抗風和抗震能力【6】。

當然，循環荷載下伸臂桁架的力學性能自然是很多研究者熱衷研究的對象【7，8】。在伸臂桁架的滯回曲線研究當中，各國學者已經得出了大量的結論。但是，伸臂桁架力學性能受很多因素的影響，非常復雜，到現在還沒有完全掌握，一些關鍵問題也沒有解決，筆者應用ABAQUS 軟件提供的彈性本構模型、彈性損傷本構模型，對伸臂桁架簡化模型進行了完全彈性模擬和塑性損傷滯回曲線模擬，并進行了對比。伸臂桁架連接核心筒與框架柱如圖1 所示。

圖1 伸臂桁架連接核心筒與框架

2 試驗設計

2.1 簡化模型與加載方式

簡化模型上下弦及腹桿均采用鋼材桁架結構。鋼材牌號為Q345，材性試驗確定其屈服強度為388MPa，極限強度 為479MPa，延伸率為34%。試件尺寸及加載方式如圖2、圖3所示。

圖2 普通伸臂桁架簡化模型

圖3 普通伸臂桁架加載方式

2.2 加載制度

模擬設置左端固定，A 點為往復位移控制加載點。其位移大小分別為1mm、2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm、26mm、28mm、30mm、32mm、34mm、36mm、38mm、40mm、42mm、44mm、50mm。每級荷載均循環2 次，共48 次循環。加載制度如圖4 所示。

2.3 荷載- 位移滯回曲線

彈性階段普通伸臂桁架彈性階段荷載-位移滯回曲線如圖5 所示。

圖4 試驗加載制度

圖5 普通伸臂桁架荷載- 位移滯回曲線

由圖5 可知普通伸臂桁架的峰值承載力為1 629kN，峰值位移為49mm。

屈曲階段時普通伸臂桁架的荷載-位移滯回曲線如圖6所示。

圖6 普通伸臂桁架荷載- 位移滯回曲線

由圖6 可知，峰值承載力為1 569kN，峰值位移為17mm。隨后位移達到24.9mm 時，承載力下降為1 059kN，僅為峰值承載力的67%。

3 結語

本文對伸臂桁架的模擬研究得出以下結論：

1）通過有限元分析彈性和屈曲階段，2 種滯回曲線在峰值位移和峰值承載力上存在很大差異。屈曲階段的峰值明顯小于彈性階段的。其變小的規律與彈性階段的應力應變曲線相關。

2）從圖形可以看出，在循環荷載下，不考慮屈曲的模型剛度和強度不會明顯下降，考慮屈曲的模型引起了剛度和強度降低。

3）考慮鋼材屈曲的分析結果比不考慮鋼材屈曲的分析結果更加符合實際。