高层钢-混凝土混合结构破坏过程的数值模拟分析

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1、维普资讯http://www.cqvip.com2007年12月第4卷第4期深圳土木与建筑VOL．4No．4DEC2007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ABAQUS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

2、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ABAQUS1．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2或I

3、、j是否是双重抗震体系，如何调整框架的水平地震力l等。国内已对这种结构进行过一些静动力试验，但是—}、Ⅲ、静力试验并不能很好的反映这种结构动力特性，振动E三台试验因受试验设备的制约，很难真实的模拟竖向荷r、一载的作用，而现有拟动力试

4、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l_U’；j艇,Irnjj4rn3扣1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。ABAQUS以其杰出的非线性计算能力，获得了广泛认图1结构平面图Fig．1PIaneframeworkdisposa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一15层混合结构，每层层高4m，其平面如图1所示，芯筒面积约11．1％，外钢框架均采用箱形截面，钢

5、柱采用600mm×600ram，梁采用400mm×400mm，壁厚均为20mm，钢筋混凝土楼板厚200mm，中10~150双向双层配筋，芯筒壁厚400mm，中15~150双向双层配筋。钢材为Q235钢，混凝土强度等级为C35。ABAQUS中三维模型如图2所示。Z陆铁坚，男，中南大学土木建筑学院地址：湖南长沙图2结构三维图邮编：410075邮箱：xj781112~163．tomFig2Three—dimensionframework97维普资讯http://www.cqvip.com2007年12月第4卷第4期深圳土木与建筑VOL．4No．4DEC20072．2材料本构格划分

6、时注意使连接边的节点相对应。模型有限元分析结果将直接依赖于材料本构关(4)建立约束关系(interaction)模拟三者之系，本模型混凝土的本构关系采用了ABAQUS中混凝间的连接。楼板与钢框架梁通过剪力件连接一起，土损伤塑性本构关系，这种本构的有效性及详细介把连接边上对应结点绑定(tie)X、Y、z三个自绍可参考ABAQUS例题手册⋯和ABAQUS验证手册。由度。楼板与芯简现浇在一起，连接边上对应结点本模型中楼板与芯筒中钢筋用ABAQUS中的钢筋层绑定(tie)六个自由度。钢框架连梁与芯筒在芯(rebarlaYer)模拟。粘结滑移用拉伸强化筒角点处设计为绞接，绑定(tie

7、)X、Y、z三(tensionstiffening)来模拟。开裂、损伤与个自由度。刚度恢复通过受拉(d+)、受压(d)损伤因子、(5)建立分析步(SteP)，选择求解器，并根刚度恢复因子(concretedamageparameter，con—据分析目的选择输出变量。本文中对结构静力加creterecoveryparameter)来综合模拟，其值载，为了得到结构力一位移曲线的下降段，使用显均在O一一1之间变化，0代表无损伤，1代表完全损示求解器(expliCit)。地震动力分析中选用隐式求伤开裂。ABAQUS后处理中显示这些因子数值和分布解器(Standard)。的情况，可

8、以知道混凝土裂缝发展和分布。模型中钢(6)施加边界条件(BC)与荷载(1Oad)，本文框架、钢筋的本构关系采用了标准金属塑性模型中不考虑结构地基与基础的相互作用，两者之间视(ClassicalmetalplastiCity)，屈服强235MPa。为固结。静力分析中楼面活载为2kN／mz，动力分析钢筋混凝土与钢材本构中参数数值参照文献[3、4]中按规范要求取楼面活载的50％，即1kN／m~。静力采用了文献[8]中数据。分析中为了得到力掴灰魄叩南陆刀危慰挤较8]2．3单元选择在顶层加2．5m的x向水平位移。动力分析中分