钢框架—混凝土筒高层混合结构非线性有限元分析
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摘要
本文利用ABAQUS通用有限元程序对外钢框架—内混凝土核心筒高层混合结构进行了非线性有限元分析,对其受力性能和破坏过程进行了数值仿真模拟。分别对四个15层混合结构在顶部位移作用下的静力反应,以及在不同地震作用下的动力反应作了研究、比较,分析表明:
1)结构在弹性阶段,由核心筒承担绝大部分水平力,一旦核心筒开裂,钢框架开始承担大部分水平力;特别是结构在地震作用下,随着地震作用的加大,钢框架分担水平力比例不断增大,由七度多遇下分担的10%,到九度罕遇时最高达67%。钢框架起到了抗震第二道防线的作用。
2)结构在水平力作用下,混凝土核心筒首先在底部产生开裂,在地震往复作用下,随着损伤不断积累,裂缝不断发展,底层几乎全部开裂。无论在静力还是地震作用下,核心筒开裂后并没有发生脆性破坏马上退出工作,而是承担的水平力在缓慢的增长后出现一较长的平台期,此时核心筒内底部配筋不断屈服。在不同地震作用下,钢框架始终处于弹性阶段,同时结构损伤最严重在底层,但最大层间位移角并没有在第一层。
3)通过四个模型分析比较,连梁在剪力墙结构中作为一种耗能结构,而在混合结构中明显地提前并加重了结构的损伤。如果在外钢框架设置加强层作为耗能结构,可以起到既不提前和加大结构损伤,又不致使结构位移加大的作用。
Nonlinear finite element analysis was carried out on the steel frame-RC core wall hybrid structure by applying the finite element analysis programe ABAQUS. The analysis was mostly concentrated on the mechanical character and failure process of this structure by the numerical simulation. Both the static response under top displacement and dynamic reaction under different earthquake action was carried out on four 15-storey such structures. The analysis indicated:
1) The concrete tube bored most the horizontal force of the structure at the elastic stage, but steel frame carried most part of the horizontal force once the core tube cracked. With the earthquake action intensified, the steel frame carrid more and more horizontal force, which increased from 10% under 7 degree frequent earthquake to 67% under 9 degree rare earthquake. The steel frame acted as the second seismic resistant system.
2) Under lateral static force, crackes occurred firstly on the bottom of the core tube . Moreover, almost the whole bottom of the tube cracked with the accumulation of damage under earthquake action. Both under the static and earthquake action, the brittle failure did not occurred on the bottom of the tube. The horizontal force shared by the core tube developed slowly and reached a long platform. On this process, the reinforcement on the bottom of the tube yielded gradually. Under different earthequake action, the steel frame on the structure is always at the elastic stage. The serious damage occurred on the bottom of the structure, but maxium inter-shifts did not on the bottom under earthquqke action.
3) By analysis and comparison between the four models, the coupling beam, which acted as an energe consumption component on shear wall structure, obviously aggravate the damage on the hybrid structure. If strengthen layers as a energe consumption was setted up on the steel frame on hybrid strctrure , neither the aggravation of the damage nor the increment of the displacement occurred on the building.
1)结构在弹性阶段,由核心筒承担绝大部分水平力,一旦核心筒开裂,钢框架开始承担大部分水平力;特别是结构在地震作用下,随着地震作用的加大,钢框架分担水平力比例不断增大,由七度多遇下分担的10%,到九度罕遇时最高达67%。钢框架起到了抗震第二道防线的作用。
2)结构在水平力作用下,混凝土核心筒首先在底部产生开裂,在地震往复作用下,随着损伤不断积累,裂缝不断发展,底层几乎全部开裂。无论在静力还是地震作用下,核心筒开裂后并没有发生脆性破坏马上退出工作,而是承担的水平力在缓慢的增长后出现一较长的平台期,此时核心筒内底部配筋不断屈服。在不同地震作用下,钢框架始终处于弹性阶段,同时结构损伤最严重在底层,但最大层间位移角并没有在第一层。
3)通过四个模型分析比较,连梁在剪力墙结构中作为一种耗能结构,而在混合结构中明显地提前并加重了结构的损伤。如果在外钢框架设置加强层作为耗能结构,可以起到既不提前和加大结构损伤,又不致使结构位移加大的作用。
Nonlinear finite element analysis was carried out on the steel frame-RC core wall hybrid structure by applying the finite element analysis programe ABAQUS. The analysis was mostly concentrated on the mechanical character and failure process of this structure by the numerical simulation. Both the static response under top displacement and dynamic reaction under different earthquake action was carried out on four 15-storey such structures. The analysis indicated:
1) The concrete tube bored most the horizontal force of the structure at the elastic stage, but steel frame carried most part of the horizontal force once the core tube cracked. With the earthquake action intensified, the steel frame carrid more and more horizontal force, which increased from 10% under 7 degree frequent earthquake to 67% under 9 degree rare earthquake. The steel frame acted as the second seismic resistant system.
2) Under lateral static force, crackes occurred firstly on the bottom of the core tube . Moreover, almost the whole bottom of the tube cracked with the accumulation of damage under earthquake action. Both under the static and earthquake action, the brittle failure did not occurred on the bottom of the tube. The horizontal force shared by the core tube developed slowly and reached a long platform. On this process, the reinforcement on the bottom of the tube yielded gradually. Under different earthequake action, the steel frame on the structure is always at the elastic stage. The serious damage occurred on the bottom of the structure, but maxium inter-shifts did not on the bottom under earthquqke action.
3) By analysis and comparison between the four models, the coupling beam, which acted as an energe consumption component on shear wall structure, obviously aggravate the damage on the hybrid structure. If strengthen layers as a energe consumption was setted up on the steel frame on hybrid strctrure , neither the aggravation of the damage nor the increment of the displacement occurred on the building.
引文
[1]吕西林.高层建筑结构.武汉:武汉理工大学出版社,2003.7.
[2]徐培福,傅学怡等.复杂高层建筑结构设计.中国建筑工业出版社,2005.2.
[3]刘大海,杨翠如.型钢、钢管混凝土高楼计算与构造.中国建筑工业出版社,2003.9.
[4]张令心,郭丰雨.钢混凝土混合结构抗震研究述评.地震工程与工程震动,2004,(24):51-56.
[5]GB 50011-2001.建筑抗震设计规范.北京:中国建筑工业出版社,2002
[6]李国强,周昊圣,周向明.高层钢-混凝土混合结构弹塑性地震位移的下程实用计算.建筑结构学报,2003,24(1):40-45
[7]Subhash C.Goel.United states-Japan cooperative earthquake engineering research program on composite and hybrid structures.Journal of Structural.Engeering,ASCE/FEB:2004(2)157-158
[8]龚柄年,郝锐坤.钢-混凝土混合结构试验研究.中国建筑科学研究院建筑结构研究所,1992
[9]龚柄年,郝锐坤,赵宁.钢-钢筋混凝土混合结构模型动力特性的试验研究.建筑结构,1995,16(3):37-43
[10]李国强,周向明,丁翔.高层建筑钢-混凝土混合结构模型模拟地震振动台试验研究.第十六届全国高层建筑结构学术会议论文集.2000.362-370
[11]阎兴华,张艳霞,黄海等.高层钢-混凝土混合结构的抗震性能试验研究及设计建议.第十八届全国高层建筑结构学术交流会论文集.2004,8:880-884
[12].李国强,曲冰等:高层混合结构钢梁与混凝土墙节点试验研究.第十七届全国高层建筑结构学术会议论文,2002:507-516
[13]李国强,姜丽人,张晓光.高层建筑钢-混凝土混合结构简化分析模型.建筑结构,1999,(6):12-13
[14]Franklin Y Cheng.Inelastic analysis of 3-D mixed steel and reinforced concrete seismic building systems.Computers&Structures[J],1981,13(1-3):189-196
[15]周向明,李国强.高层钢-混凝土混合结构弹塑性地震反应分析模型及研究现状.工程力学,1999,(增刊):712-717
[16]周向明,李国强,丁翔.高层钢-混凝土混合结构弹塑性地震反应简化分析模型.建筑结构,2002,32:26-30
[17]周向明.高层钢-混凝土混合结构弹塑性地震反应简化分析模型研究.[硕 士学位论文].上海:同济大学,2000
[18]赵西安.高层建筑组合结构分层模型弹塑性动力分析.建筑结构学报,1989,(5):12-18
[19]程绍革.钢-混凝土筒混合结构弹塑性反应分析及探讨.建筑结构,1998,(6):33-35
[20]刘英,王松涛,赵均等.钢-混凝土核心筒组合结构抗震性能研究.工程力学,1999,(增刊):439-443
[21]李国强,丁翔,郑敬有等.高层建筑钢-混凝土混合结构分区耦合分析模型及开裂层位移参数分析.建筑结构,2002,32(2):21-25
[22]成联广.SRC柱-钢梁框架-核心筒混合结构抗震研究.[北京工业大学硕士学位论文].北京:北京工业大学,2000
[23]张凤新.不同结构材料框架柱之超高层框架-筒体结构抗震特性分析.[硕士学位论文].上海:同济大学,2003
[24]黄俊.钢框架-混凝土筒多层住宅抗侧力性能研究.[硕士学位论文].武汉:武汉理工大学,2004
[25]戴绍斌.钢框架-混凝土筒住宅结构性能与配套技术研究.[博士学位论文].武汉:武汉理工大学,2004
[26]李达明.弹塑性静力分析法在超高层钢-混凝土混合结构抗震分析中的应用.建筑钢结构进展,2002,4(2):39-44
[27]廖晓璐,王松涛,陈向东.钢框架-混凝土筒结构阻尼实用计算方法.工程力学,1999,(增刊):729-733
[28]郑廷银,董军,朱慧.高层钢结构双重抗侧力体系的二阶简化分析.南京建筑工程学院学报,2001,(2):7-13
[29]刘坚,黄襄云,李开禧.基于超级单元的钢-混凝土混合结构动力特性及地震反应研究.地震工程与工程振动,2003,23(1):54-58
[30]武藤清著、藤家禄等译,结构物动力设计,北京:中国建筑工业出版社,1984
[31]SRC框架-核心筒高层混合结构抗震性能试验及非线性分析,[博士学位论文],上海:同济大学,2006
[32]姬守中.高层钢筋混凝土框-剪结构在地震作用下的弹塑性时程反应分析.[博士学位论文].上海:同济大学,2002
[33]周颖.复杂高层结构的整体抗震试验与非线性分析.[博士学位论文].上海:同济大学,2005,
[34]R.W.Clough and J.Penzien著,王光远等译.结构动力学,北京:科学出版社,1983
[35]Anaiysis of the Behavior of Reinforced concrete structures During Strong Earthquake based on the Empirical Estimation of Inelastic Restoring Force Charateristics of Members,5WCEE,1973
[36]林家浩等.多层建筑在地震作用下的弹塑性反应.大连工学院学报,1980,(2)
[37]尹之潜等.多层剪切型结构弹塑性地震反应分析.地震工程与工程振动,1982,(2)
[38]沈聚敏,张玉良.弯剪型多自由度体系非线性地震反应的简化分析.清华大学科学研究报告集.北京:清华大学出版社,1981.118-128
[39]李国强,沈祖炎.钢框架弹塑性静动力反应的非线性分析模型.建筑结构学报,1990,(2)
[40]汪梦甫,沈蒲生.钢筋混凝土高层结构非线性地震反应分析现状.世界地震工程,1998,(2)
[41]钱庚青.高层建筑结构杆系-层模型静力与弹性动力分析及应用.建筑结构学报,1990,(6)
[42]张业扬,余安东等.高层建筑杆系-层间模型弹塑性动态分析.同济大学学报1980,(1)
[43]吕西林,金国芳,吴晓涵.钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用.上海:同济大学出版社,1997,1
[44]过镇海.钢筋混凝土原理.北京:清华大学出版社,1999,3
[45]庄茁,张帆,岑松.ABAQUS非线性有限元分析与实例[M].科学出版社,2005
[46]石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].机械工业出版社,2006
[47]Hibbitt,Karlsson&Sorensen,,INC.Getting Started with ABAQUS.2005
[48]Hibbitt,Karlsson&Sorensen,TNC.ABAQUS Analysis User's Manual.2005
[49]J.Lee,G L.Fenves.A Plastic-Damage Concrete Model for Earthquake Analysis of Dams.Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1998,27:937-950
[50]Hibbitt,Karlsson&Sorensen,INC.ABAQUS Example Problems Manual.2005
[51]Hibbitt,Karlsson&Sorensen,INC.ABAQUS Benchmarks Manual.2005
[52]Hibbitt,Karlsson&Sorensen,TNC.ABAQUS Verification Manual.2005
[53]ABAQUS,Inc.Failureo fa Prestressed Concrete Containment Vessel.ABAQUS Technology Brief,2004
[54]J.Lubliner,J.Oliver,S.Oiler,etal.A Plastic-Damage Model for Concrete'International Journal of Solids and Structures,1989,25(3):299-326
[55]J.Lee,G L.Fenves.Plastic-Damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structures'Journal of Engineering Mechanics,1998,124(8):892-900
[56]Hibbitt,Karlsson&Sorensen,INCABAQUS Theory Manual.2005
[57]张文元.ABAQUS动力学有限元分析指南.中国图书出版社,2005
[58]刘晶波,杜修力.结构动力学.机械工业出版社,2005
[59]梁博.钢框架-混凝土筒体混合结构抗震性能振动台试验研究.[硕士学位论文].西安:西安建筑科技大学,2005
[2]徐培福,傅学怡等.复杂高层建筑结构设计.中国建筑工业出版社,2005.2.
[3]刘大海,杨翠如.型钢、钢管混凝土高楼计算与构造.中国建筑工业出版社,2003.9.
[4]张令心,郭丰雨.钢混凝土混合结构抗震研究述评.地震工程与工程震动,2004,(24):51-56.
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[6]李国强,周昊圣,周向明.高层钢-混凝土混合结构弹塑性地震位移的下程实用计算.建筑结构学报,2003,24(1):40-45
[7]Subhash C.Goel.United states-Japan cooperative earthquake engineering research program on composite and hybrid structures.Journal of Structural.Engeering,ASCE/FEB:2004(2)157-158
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[10]李国强,周向明,丁翔.高层建筑钢-混凝土混合结构模型模拟地震振动台试验研究.第十六届全国高层建筑结构学术会议论文集.2000.362-370
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[47]Hibbitt,Karlsson&Sorensen,,INC.Getting Started with ABAQUS.2005
[48]Hibbitt,Karlsson&Sorensen,TNC.ABAQUS Analysis User's Manual.2005
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[58]刘晶波,杜修力.结构动力学.机械工业出版社,2005
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