某工程动力弹塑性时程分析研究

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1、某工程动力弹塑性时程分析研究广东省建筑设计研究院广州510010【摘要】木文介绍了运用大型通用有限元分析软件ABACUS对某超限工程进行的动力弹塑性时程分析，介绍了分析的目的、方法以及分析结果。通过动力塑性时程分析发现了结构的薄弱位置，未后续施工图设计提供了非常重要的指导。从木文可以看到动力弹塑性时程分析对复杂工程的设计的重要性。希望木文的介绍能对类似工程的设计提供一些帮助。【关键词】超限；Abaqus；动力弹塑性；大震1工程概况该工程位于广东省广州市海珠区，为一栋甲级商业办公楼，建筑用地面积为3074.2m2,建筑面积为57538.2m2

2、,其中地下建筑面积10383.9m20地下3层，地上21层，地面以上建筑物总高度为93.3米，地下室主要为停车库及设备用房，负三层在战时作为六级二等人员掩蔽所，平时作为停车库。本工程建筑特征见表1：木工程釆用框架一剪力墙结构，存在I类扭转不规则、楼板不连续、尺寸突变、I类竖向构件不连续等不规则3项，属于A级高度超限工程，应进行弹塑性分析。木工程运用大型通用有限元分析软件ABAQUS进行动力弹塑性时程分析，图1为分析模型。图1ABAQUS有限元分析模型2分析研究目的(1)评价结构在罕遇地震下的弹塑性行为，根据主要构件的塑性损伤情况和整体变形情

3、况，确认结构是否满足“大震不倒”的设防水准要求;（2）研究不规则高层结构抗震性能，包括罕遇地震下的大开洞楼板损伤，转换结构的屈服情况，最大层间位移角以及最大基底剪力等；（3）根据计算结果，针对结构薄弱部位和薄弱构件提出相应的加强措施。3分析模型与性能评价方法3.1材料模型计算采用《混凝土结构设计规范》（50010・2010）附录C提供的受拉、受压应力■应变关系作为混凝土滞冋曲线的骨架线，加上损伤系数（de、dt）构成了一条完整的混凝土拉压滞冋曲线，如图1所示。钢材采用等向强化二折线模型和Mises屈服准则，滞回曲线图2所示，其中强化段的强化

4、系数取O.Olo剪力墙和楼板采用壳单元S4R,梁、柱构件采用梁单元B31。图2混凝土和钢材拉压滞冋示意图3.2分析方法采用弹塑性时程分析方法，直接模拟结构在地震力作用下的非线性反应。几何非线性：结构的动力平衡方程建立在结构变形后的几何状态上，“P・?”效应，杆件的非线性屈曲被精确考虑。材料非线性：直接在材料的点的应力■应变关系水平上模拟。动力方程积分方法：显式积分。3.3分析步骤1、施工摸拟加载通过单元的“生”与“死”来实现施工阶段的结构受力模拟。第一步先建立整个模型，然后将第一阶段施工以外的构件“杀死”，求得第一阶段结构的应力状态。依此步

5、骤，再逐步“放生”各施工阶段的构件，从而求得结构在施工完成后的应力状态。2、地震加载按照抗震规范要求，罕遇地震弹塑性时程分析所选用的单条地震波需满足以下频谱特性：1)特征周期与场地特征周期接近；2)最大峰值符合规范要求；根据提供的安评报告，对罕遇地震验算选择一组人工波和二组天然波作为非线性动力吋程分析的地震输入，三向同吋输入，地震波计算持时取30s；罕遇地震条件下水平向PGA调整为220gal,竖向调整为143gaL人工波为罕遇地震h・2人工波，天然波为罕遇地震ChiChi天然波、Irpinia天然波。各条地震波时程曲线如下图3所示，规范反

6、应谱与主方向地震波谱对比主要周期点地震波与规范反应谱差别小于20%：(c)天然波Irpinia(d)规范反应谱与主方向地震波谱对比图3地震波3.4动力弹塑性模型构件性能评价方法动力弹塑性模型计算采用Abaqus,Abaqus中构件的损坏主要以混凝土的受压损伤因子及钢材的塑性应变程度作为评定标准。钢材借鉴FEMA356标准中塑性变形程度与构件状态的关系剪力墙混凝土单元受压出现刚度退化和承载力下降的程度通过受压损伤因子De来描述，De指混凝土的刚度退化率。4动力弹塑性分析结果4.1整体计算参数和结果汇总下表是结构在三向地震作用下的弹塑性分析整体

7、结果汇总对比，每项均给出各主方向的三向计算结果，未注明的结果均为ABAQUS计算的结果。4.2计算结果小结图3框架柱和剪力墙损伤情况DABAQUS计算的主体结构最人弹塑性层间位移角平均值X向为1/128,Y向为1/135,均小于1/100,满足抗震规范限值。在三条波三向作用下，结构整体刚度退化没有导致结构倒塌，满足“大震不倒”的设防要求。2）底层大部分框架柱柱底处于受压工作状态，部分出现受拉现象，其中最大拉力为4637KN；大部分底部墙肢有出现拉力的情况，其中最大拉力为20740KN。3）转换斜柱、转换柱混凝土未出现受压损伤，钢筋未发生屈服

8、，处于不屈服状态。4）大部分混凝土柱均出现一定程度的受拉损伤，主要混凝土柱出现轻微至中度损伤，小部分混凝土柱出现比较严垂的受拉损伤，未出现受压刚度退化,顶部楼层的混凝土柱钢筋出现