基于ABAQUS 分析钢结构倒塌过程能量之变化

2020-07-04陈芊奇

江西建材 2020年6期

刘霞，陈芊奇

江西工业工程职业技术学院，江西萍乡 337055

1 引言

在抗震地区，我国有很多方法和规范通过钢结构的抗震设计来减少结构的倒塌概率。钢结构构件的抗震性能化设计可以根据建筑的抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则性，结构构件在整个结构中的作用、使用功能和附属设施功能的要求、投资大小、震后损失和修复难易程度等综合分析达到抗震目的。但强地震作用下，仍然还是有相关钢结构的倒塌情况发生，所以钢框架的失稳状态是需要研究的。钢框架结构倒塌是一个复杂的过程，研究钢框架结构从开始失稳，甚至发生倒塌的过程。在以前的研究中，Vamvatsikos D 等人（2002）［1］使用增量动力分析（IDA）方法进行结构倒塌预测。绘制IDA 曲线，即IM 和DM（弹性谱加速度和最大层间位移角）。基于IM 准则，IDA 曲线斜率大于初始斜率的20%则认为结构失稳；基于DM 准则，最大层间位移角大于损伤极限10%时结构失稳。Lignos 等人［2］2008年利用一个四层钢框架倒塌的振动台实验，提取了一系列数据并对其进行处理，并且首次提出了基于能量的“倒塌准则”。为了更好的描述钢框架结构失稳状态下的能量变化，我们对比一个钢框结构的倒塌过程中的能量变化来分析结构倒塌过程中能量的变化。

2 实验方法

数值模拟方法成为结构倒塌分析的一种重要方式。模拟结构倒塌的数值方法主要有非线性有限元法和离散元法，在本节中主要采用非线性有限元分析钢框架结构。利用ABAQUS 建立四层两跨钢框架结构的简单模型，并分析钢框架结构倒塌过程中的能量变化。因为钢框架结构主要是梁柱骨架承重，模型采用纤维梁单元表示梁柱［3］，并根据“强柱弱梁”的原则和满足钢结构规范要求进行设计。

3 模型建立

第一层高4m，其余层高3.6m，跨长9m。为了模拟板的厚度每一层加上400kN 的质量。为了分析钢框架结构在地震作用下主要能量的变化对模型进行了简化处理。建好模型进行材料的定义，弹性模型210GPa，泊松比0.3，屈服应力355.6MPa，定义钢框架结构损伤。输入1994 年美国Canoga Park 地震波地震波进行动力时程分析，主要采用显式分析方法分析［4］。在ABAQUS 后处理中提取变化的能量，采用ABAQUS 的二次开发提取重力做功［5-6］。

4 结果分析

根据ABAQUS 后处理分析可以知道该框架结构产生了失稳，提取结构能量输出数据可以知道，发生了能量变化的有外力做功、内能、动能、塑性耗能、应变能、重力做功、输出组的总能量、粘性耗散的能量［7］，能量曲线如图1（a）所示。

四层钢框架结构倒塌前发生最大的最大的能量变化最大的是外力做功、内能、动能、塑性耗能、重力做功。外力做功主要是地震的作用，外力做功能量最大可达到1.85E8J，在10.5s 时出现失稳，动能约为1.29E7J，重力做功约为1.16E7J。

图1 钢框架结构失稳能量变化

减小地震加速度使得四层钢框架结构不发生倒塌，如图2所示提取ABAQUS 后处理能量变化。结构在地震作用下未发生失稳，内部能量变化最大的是外力做功、内能、塑性耗能。地震外力做功约为5.7E7J，在10.5s 时，动能约为2.34E6J，重力做功约为1.32E6J。图2 与图1 进行对比，钢框架结构动能和重力做功出现了最明显的区别。在地震作用下，钢结构的内能、外力做功和塑性耗能依然保持较高的能量。