组合框架结构抗震性能分析

组合框架结构抗震性能分析

宋毛毛

中国航空规划设计研究总院有限公司北京100120

摘要：本文利用ABAQUS进行钢-混凝土组合梁钢框架的抗震性能研究，以一单榀三层组合梁钢框架为例进行分析，并利用梁的等刚度原则建立一纯钢框架进行对比，通过模态分析得到框架的自振频率及振型，选取三种地震动时程进行弹塑性时程分析，研究框架整体抗震性能，本文同时与纯钢框架进行对比分析，研究混凝土板的组合作用对结构整体抗震性能的影响。

关键词：组合框架；模态分析；弹塑性时程分析；抗震性能

引言：近年来，我国组合结构发展迅速，越来越多的组合结构被用于高层及超高层建筑中，与钢结构相比，组合结构具有截面刚度大，整体稳定性好，耐久性及抗火性好等优点；相比钢筋混凝土结构，组合结构自重轻，截面尺寸小，延性好，结构高度相对降低，地震作用小，施工速度快。无论何种结构体系，抗震性能研究都是一个关系到建筑结构综合性能的重大问题，目前对组合框架的抗震性能研究并不充分，本章利用ABAQUS建立一单榀三层三跨组合框架，对其进行地震作用下的弹塑性时程分析，并利用梁的等刚度原则建立一纯钢框架进行对比分析。

弹塑性时程分析方法是分析结构抗震性能最为准确的的方法之一，分析时将结构作为弹塑性振动体系，输入地震动时程，分析结构在地震动下的反应。弹塑性时程分析可以获得整个地震过程中各时刻结构的地震响应，且对结构的简化假设较少，可以比较完整且准确地反应结构地震响应。该法根据输入的地震动时程，按结构动力学中数值求解方法对运动微分方程积分得结构的动力反应，得出在地震作用下结构各质点各时刻的位移，速度及加速度等动力响应，根据分析结果确定结构各部位应力分布、屈服的时刻和顺序，判明结构的屈服机制、薄弱环节以及可能的破坏类型，根据框架的整体变形、层间位移及混凝土板塑性损伤分布等评价罕遇地震下结构的弹塑性行为，为组合结构的抗震设计提供必要的理论依据，本文同时与纯钢框架进行对比分析，研究混凝土板的组合作用对结构整体抗震性能的影响。

1有限元模型

本文对一单榀三层三跨组合梁钢框架及纯钢框架进行模态分析及弹塑性分析，框架层高均为3.9m，跨度为6m。组合框架中钢梁采用H型钢，钢柱采用H型钢，组合梁上混凝土板采用C30，混凝土翼板厚度取100mm，宽度为1000mm。为了有效对比组合梁钢框架与纯钢框架的抗震性能，纯钢框架模型根据框架梁的等刚度原则建立，钢柱仍采用H型钢，钢梁采用H型钢，截面与组合框架相同，钢材均选用Q235钢。

模型中混凝土采用ABAQUS提供的混凝土损伤塑性模型，混凝土板中的钢筋、加劲肋、钢梁和钢柱的本构均采用双折线模型，强化准则为随动强化，有限元模型中混凝土板采用空间三维缩减积分实体单元，钢梁钢柱采用四节点缩减积分壳单元，钢筋采用三维桁架单元。

分析中假定钢梁和混凝土板之间始终保持紧密接触，不发生相对滑移，忽略掀起作用，钢筋与混凝土板之间的相互作用采用埋入单元，钢柱与混凝土板之间的相互作用通过定义接触对来模拟，接触对属性包括垂直于接触面方向以及沿接触面切向方向的相互作用：垂直于接触面方向的相互作用采用硬接触，沿接触面的切向接触面之间的摩擦系数取为0.25。

2结构模态分析

结构进行弹塑性动力时程分析之前，先进行模态分析，确定结构的自振特性，为阻尼的计算提供依据。模态分析时，需要将结构荷载转换成等效质量施加在结构上，结构荷载按照规范要求进行计算，恒荷载考虑结构自重，混凝土板取梁跨6米板宽范围内的荷载；活荷载根据荷载规范要求取楼面活荷载4.0kN/m2的50%计算。本节采用Lanczos求解方法得结构的模态，利用其前两阶频率计算结构阻尼，阻尼对结构动力时程分析结果有较大的影响，本文采用结构Rayleigh阻尼进行计算，公式如下：

3弹塑性时程分析

本文对钢-混凝土组合梁钢框架及纯钢框架进行弹塑性时程分析，柱底端设为刚接，框架平面内输入选定的三条地震动加速度时程曲线，包括EI-Centro地震动、Taft地震动以及人工地震动，分别将三条地震动峰值按八度常遇地震动作用下的加速度峰值70gal、八度罕遇地震动作用下的加速度峰值400gal以及九度罕遇地震动作用下的加速度峰值620gal进行调幅，分析时，地震动分500步进行加载，采样时距为0.02s。

为了研究组合框架在地震动作用下的塑形发展情况，本文还对钢-混凝土组合框架进行了弹性时程分析，分析时假设材料本构均为弹性，比较分析弹性与弹塑性层间位移角及顶点位移。本文中SF指纯钢框架的弹塑性时程分析，CFS指组合框架的弹塑性时程分析，CFS-EL指组合框架的弹性时程分析。由框架在三种不同地震动作用下的弹塑性时程分析结果可知，结构在不同地震下的反应有所不同，但整体规律基本一样，限于篇幅，本文均以EI-Centro地震动下框架的反应为例进行分析。

本文采用ABAQUS隐式算法，输入EI-Centro地震动、Taft地震动以及一条人工地震动，得到钢-混凝土组合梁钢框架及纯钢框架的地震时程响应，得到EI-Centro地震动作用下框架层间最大相对位移值。

分析钢-混凝土组合框架与纯钢框架在三个峰值的地震动作用下的层间位移角的分布情况，层间最大位移角对比如通过组合及纯钢框架层间位移（角）分析可知，在70gal峰值地震动作用下，组合与纯钢框架层间位移（角）相差较多，纯钢框架顶点相对地面位移远大于组合框架，组合框架二层层间位移角最大为1/370，纯钢框架最大层间位移角为1/258；在400gal峰值地震动作用下，组合与纯钢框架层间位移（角）差值相对减小，组合框架二层层间位移角最大为1/73，小于纯钢框架最大层间位移角1/64；在620gal峰值地震动作用下，组合框架二层层间位移角最大为1/49，略小于纯钢框架最大层间位移角1/48，组合梁钢框架具有较好的抗侧移刚度。

结论：

本文对比分析了在三种不同地震动作用下组合框架与纯钢框架的反应，纯钢框架利用与组合框架梁的等刚度原则进行建立，首先进行结构的模态分析，对比两者自振频率与振型，同时求得结构的瑞利阻尼；时程分析比较三种峰值地震动下结构的反应，通过分析可得：

组合框架与纯钢框架相比，钢-混凝土组合框架刚度和稳定性明显增加，且其延性和耗能能力较好；考虑混凝土板的组合作用，结构刚度明显提高，结构周期变短；地震作用下，结构最大层间位移角明显减小。