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复杂结构弹塑性时程分析.docx 14页

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第十九届全国高层建筑结构学术会议论文 2006年 复杂结构弹塑性时程分析 在ABAQUS中的实现 汪大绥,李志山“李承铭’·今姜文伟’王国俭’ 廖云’ (I 华东建筑设计研究院 200002 2 广州致力顾问有限公祠 510170 3 上海现代建筑设计集团有限公司 200041 4 同济大学 200092) 〔摘要] 本文利用ABAQUS软件研究复杂高层建筑结构的弹塑性时程分析.将梁、柱和剪力墙的弹塑性在 材料的应力一应变层次上精确棋拟。通过一工程实例,研究了弹塑性模型在地艇时程中的变形及受力特点,并给了构件截面的应力时程、应变时程、塑性应变时程。同时得到了截面应力应变滞回曲线. 「关挂词] 弹塑性,动力时程分析,塑性应变,应力应变滞回曲线,ABAQUS 1前言 在罕遇地震作用下,抗震结构一般都会进入弹塑性状态,因此,建筑结构非线性动力分析日益受到工程界的重视。我国《建筑抗震设计规范》第 5.5.2条规定了对某些高层建 筑结构以及乙类建筑要求进行罕遇地震作用下弹塑性分析。结构弹塑性分析中,比较常用 的方法有两种:静力弹塑性分析法和弹塑性时程分析法川阁。静力弹塑性分析是将结构的动 力效应等效为某一固定模式的水平力,按静力方法进行分析。因此,静力弹塑性计算通常 只能对结构作定性分析191。弹塑性时程分析是输入地震波、直接计算结构的地震反应的分 析方法。由于考虑了结构构件的弹塑性性能,结构的刚度不断变化,通过逐步积分,可以得到结构在各个时刻的真实地震反应。如结构的位移、内力、截面的应力应变等;给出结构的开裂和屈服的顺序:发现应力和塑性变形集中的部位,从而判明结构的屈服机制、薄弱环节及可能的破坏类型等。时程分析法被认为是目前结构弹塑性分析的最可靠和最精确 方法1"ILZI[,它不仅能对结构进行定性分析,同时又可给出结构在罕遇地震下的量化性能指 标。 用弹塑性时程分析方法解决实际工程时,存在的主要问题一是结构构件的单元模型选 取以及相应的恢复力模型确定;二是动力方程的数值解法以及成熟的有限元分析软件;三 是计算模型复杂,耗时多,计算昂贵’刽〔川。由于上述方面的原因,虽然各国学者做了大量的 研究工作,但弹塑性时程分析目前尚未在工程设计中]’‘泛应用。 汪大缓.男.1941.2生.教授级高级工程师 "5511 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文 i;ihP年 本文应用通用有限元计算程序ABAQUS,研究复杂高层建筑结构的弹塑性时程分析,通过对ABAQUS软件进行二次开发,对上述二个方面问题的解决进行了积极探讨。在单元模型 上,梁、柱采用了分段纤维单元模型,剪力墙采用细分的壳模型.在单元的恢复力模型上,则直接取用材料的应力一应变弹塑性损伤模型和随动硬化模型来模拟混凝土及钥材,可较 为精确地模拟梁、柱及剪力墙等结构构件的弹塑性特性。单元刚度由单元上的积分点以及相应截面积分点处的应力一应变关系通过积分获得。动力方程的数值解法采用ABAQUS提供的显式算法,避免弹塑性动力计算中常会出现的不收敛问题,同时,对于大型复杂结构, 计算速度也大大提高。 需要指出的是,时程分析也具有不确定性,其计算结果受地震波的影响较大131。尽管 地震波峰值、频谱和持续时间相同,不同的地震波所得出的结构响应差别可能会较大。因此,地震波的选择要十分慎重,同时为了消除不同地震波对结构响应的影响,《建筑抗震设 计规范》要求,选用至少二组天然波、一组人工波作为地震波输入。 2ABAQUS单元模型〔101 2.1梁柱单元模型(钢梁柱、混凝土梁柱及组合柱) 采用纤维单元模型,其基本假定为平截面假定,该单元的特点如下: 1)Timoshenko梁,考虑剪切变形; 2)可采用弹塑性损伤模型本构关系; 3)转角和位移分别插值,是Cu单元,容易和同样是C。单元的壳元连接; 4)二次插值函数,长度方向有三个高斯积分点,精度高: 5)在梁、柱截面设有多个积分,用于反映截面的应力应变关系: 6)采用GREEN应变计算公式。考虑大应变的特点,适合模拟梁柱在大震作用下进入塑 性的状态。 由于采用纤维模型,杆件刚度由截面内和长度方向动态积分得到,其双向弯压和弯拉的滞回性能由材料的滞回性能来精确表现,同一截面的纤维逐渐进入塑性,在长度方向亦 是逐渐进入塑性。为了提高计算精度,应对实际工程中的梁、柱单元细分(3121 2.2 壳单元模型(剪力墙和楼板) ABAQUS中采用微观壳元模拟剪力墙和楼板,其特点如下: 1)可采用弹塑性损伤模型本构关系: 2)可考虑多层分布钢筋; 3)转角和位移分别插值,是c。单元,与梁单元的连接容易: 4)可模拟大变形、大应变的特点,适合模拟剪力墙在大震作用下进入塑性的状态。 为了提高计算精度,应对实际工程中的壳元细分. -552- 第十九届全国高层建筑结构学术会议论文 200

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