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第36卷增刊 建筑结构 2006年6月 通用有限元软件ABAQUS在动力 弹塑性时程中的应用 王传甲1 陈志强1 王庆扬1’2张劲2阎晓铭1彪仿俊1 (1深圳市电子院设计有限公司518031；2中国石油大学北京102249) 【提要]概述了目前结构抗震分析中常见的弹塑性计算方法，并结合某高层办公楼的实际，介绍了采用 ABAQUS进行结构动力弹塑性时程分析的原理和基本方法，证明了对复杂结构进行动力弹塑性补充分析是必 要和可行的。 [关键词]混凝土塑性损伤模型概念设计 ApplicationofABAQUSSoftwareinElastic—plasticTimeHistoryAnalysis／WangChuanjial，ChenZhiqian91， WangQingyan8。2，ZhangJin2，YanXiaomingI，BiaoF¨舀uⅡ1(1ShenzhenElectronicsDemgnInstituteCo．，Ltd．， Shenzhen518031，China；2ChinaUniversityofPetroleum，Beijmg102249，China) Abstract：Avmlablemethodsofelastic—plasticanalysisaresummarized．Ba日edoiltheanMymsofatalloftRcebuilding， thetheoryandthebasiccalculationmemodofelastic—PlastictimehistoryanalysismethodwithABAQUSsoftwarealTein— troduced．Itisp”v叫thattheapplicationofthismefhodintheadditionalanaly幽forcomplicatedstruetttresisnecessafy andfeasible． Keywords：ABAQUS；damagedplasticitymodel；concrete；conceptualdesign 1 结构弹塑性分析方法的现状 《高层建筑混凝土结构技术规程》规定：B级高度 和不规则、具有明显薄弱部位的高层建筑结构，宜进 行罕遇地震下的弹塑性补充分析。 目前工程中常用的弹塑性分析方法有静力弹塑性 分析(Pu曼b-Over)方法和动力弹塑性分析方法。静力 弹塑性分析方法简化较多，仅适用于层数不多、自振 周期小于2s、并以第一振型为主的结构，而且目前对 于带剪力墙结构的静力弹塑性分析还缺乏合适的计算 模型，仅能采用等代框架模拟，具有较大的局限性， 已经很难满足目前结构计算分析的发展要求。相比之 下，动力弹塑性分析方法是一种直接动力计算方法， 计算假定较少，结果更为真实可靠。适用面广。随着 计算机软硬件水平的提高和弹塑性理论研究的不断完 善，该方法已开始在工程设计领域中得到日益广泛的 应用。 2 通用有限元软件ABAQUS的原理殛计算方法 2．IABAQUS软件介绍 在目前能够进行结构动力弹塑性时程分析的大型 通用有限元软件中，ABAQUS的功能和针对性更强， 它提供了丰富的单元类型和材料摸型，如弥散钢筋单 元和各种混凝土破坏模型等，可以定义带钢筋的混凝 土构件．而且具有强大的非线性求解翡力。 在ABAQUS中，结构的弹塑性性能通过定义材料 的本构关系实现，包括材料的屈服准则、强化准则、 流动法则和破坏准则等。它能够较好的解决结构动力 弹塑性分析中的几个主要难点：1)往复循环加载下， 混凝土及钢材的滞回性能；2)混凝土从开裂直至完 全压碎退出工作的全过程中出现的剐度退化；3)人 为控制混凝土裂缝闭合前后的行为，以模拟循环荷载 下的刚度恢复效应。因此ABAQUS是非常适于对复杂 结构进行动力弹塑性分析的有限元软件平台。 2．2ABAQUS的计算原理 动力弹塑性时程分析采用的是对各个时刻直接积 分的方法，ABAQUS中有隐式和显式两种求解器可供 选择。隐式算法是利用下一时刻的平衡求得下一时刻 的位移，无条件稳定，但对于一些高度非线性问题， 可能会导致计算难以收敛；显式算法是利用本时刻的 平衡求得下一时刻的位移，要求单位步长足够小，但 不需要迭代和收敛准则，计算时间稳定，适合于非线 性问题的求解。 ABAQU8中的混凝士材料采用的是由Lubliner和 Lee提出的混凝土塑性损伤断裂模型，其核心是假定 混凝土的破坏形式是拉裂和压碎，混凝土进入塑性后 的损伤分为受拉和受压损伤，分别由两个独立的参数 控制，以此来模拟混凝土中损伤引起的弹性刚度退 6—6l 化。混凝土受拉(压)塑性损伤后卸载反向加载受 压(拉)的刚度恢复亦分别由两个独立的参数控制。 23采用ABAQUS进行动力弹塑性时程分析的方法 采用ABAQUS进行动力弹塑性时穗分析需要定义 以下内容：1)结构的整体几何信息、构件截面参数 和边界条件；2)钢筋滤凝土构件中的配筋信息；3) 混凝土及钢筋(骨)的本构关系；4)适合本场地的 地震波。 在进行弹塑性时程分析前，建议首先应对模型进 行模态和静载下的计算，并与弹性计算的总质量、周 期、振型、内(应)力等主要参数对比，以保证 ABAQUS计算模型的准确性。 3 工程实例 选取实际工程中某一高层办公楼进行分析。该结 构地上26层，总高度99．4m，采用框架剪力墙结构。 抗震设防烈度7度，Ⅱ类场地。结构平面图如图1所 示。其中，底层框架柱为1100×1100的钢骨混凝土 拄，底部加强区剪力墙厚度400，剪力墙、框架柱截 面及混凝土等级沿高度逐级收进。该结构的特点是： t-妇一-_r ；I J Ij} |=丰=#s I 1t I卜 l I l I+-H}! II I I l咔； rTr—F{一}十卅-”}-r I I 空率泰 嗣 图1层结构平面图 (】)结构平面，可以看作是由左右两部分结构 单元的角部重叠所形成，重叠区域如图1中方框内范 围所示，其面积仅为左侧结构单元面积的10％，右 侧结构单元的9．7％，重叠面积明显偏小，远来达到 文”1中3．3条“角部重叠区域面积不小于较小一边 25％”的规定，而且该区域楼板上布置有核心筒洞 口，对其有一定程度的削弱。 (2)连接部位右侧沿结构高度上每三层布置有 一个空中花园(图1中阴影区域)，其余两层楼板开 洞，楼板凹入尺寸为楼面宽度的一半，已达到文献”。 中4．3．6条中规定的上限，楼板平面剐度削弱严重。 而且楼板开洞部位左侧紧邻左右结构单元的重叠区 域，上侧楼板布置有多个核心筒洞口，对结构更为 不利。 3．1弹性分折 对该结构采用SATWE进行了常遇地震下的弹性 6-62 计算，并用ETABS进行校棱，两者计算结果接近， 如表1所示。考虑地震组合工况下，ETABS计算的楼 板应力大部分区域均小于1．5MPa，仅在剪力墙附近 局部区域约2MPa。各项指标均满足现行规范要求。 整体计算坫幂对比 裹1 SATWE ET^BS 计算振型敷 30 T-(Y)(s) 2．46 2．44 ％(x)(B) 2．13 2．19 已(扭)(s) 1．81 1 75 马／?t 0．，3 n72 底部剪重比(j) l 52％ 1 51％ 底部剪重比(y) i 7I％ i 70％ 地震最大层问位移(X) l／1865 1／1883 地震最大层间位移(r) l／2115 112078 底层剪力墙最大轴压比 0．35 底层框架柱最大轴压比 0．75 3．2动力弹塑性时程分析 该结构弹性计算结果正常，但从高层建筑结构概 念设计的角度看，该结构无法满足“体型简单规则， 平面布置均匀”的基本要求，对于抗震十分不利。为 了验证以上判断，并了解该结构在罕遇地震作用下的 动力响应，采用ABAQUS补充进行了动力弹塑性时程 分析。 1．计算模型及参数 ABAQUS的计算模型参照结构施工图建立，并输 入了相应构件的实际配筋。在计算前，对该模型进行 了模态分析，并与SATWE。ETABS的结果进行对比， 如表2所示。 不周程序计算触皇摄周期{sj 寰2 软 件 r1 R 马 SATWE 2．46 2．13 1．8l ETABS 2．44 2 19 1 75 ABAQUS 2 31 2 07 1 62 采用三种不同程序得到的计算结果较为接近，其 中ABAQUS模型由于构件中含有钢筋(骨)，略微偏 刚，因此认为该计算模型基本准确。 ABAQUS计算中，混凝±采用塑性损伤断裂模 型，钢筋(骨)采用等向强化二折线模型。计算选 取ElCentro地震渡。加速度峰值为2209al，作用时间 30s，施加于结构的弱轴方向上。 2．计算结果 (1)结构变形 在地震作用的前2s，结构以Y向平动为主。2s 以后，整个结构以中部连接部位为轴心，开始出现明 显扭转，随着地震的持续作用，扭转幅度有变大的趋 势，见图2。 后，第一批裂缝开始在各层的连梁端部出现，并逐步 向连梁跨中及相邻墙体单元发展；核心筒外墙上混凝 土的损伤沿高度方向呈带状发展，裂缝迅速贯通。至 5s时，核心筒左边一侧的剪力墙及结构左傩的外围 剪力墙底部层1～5部位，塑性损伤已经较为严重， 混凝土压碎明显。剪力墙最终受拉、受压损伤分别如 图4所示． (a)受拉损伤 (b)受压损伤 图4剪力墙损伤 图2结构y向变形 楼板开裂最早出现在地震作用2s左右，第一批 整个地震过程中，结构顶点的r向弹塑性位移 裂缝位于各楼层左右两端的连梁附近，以及连接部位 (ABAQUS，图中实线)及弹性位移时翟曲线右下端的凹角处。至5a时，位于结构左右连接部位 (ETABS，图中虚线)如图3所示。在地震作用的前的楼板沿斜线完全裂通，破坏明显，但楼板内钢筋应 2．6s，顶点弹塑性位移与弹性位移吻合，这是由于结 力最大为110MPa，未达到屈服。标准层楼板最终受 构主要构件还基本处于弹性，非线性程度较低；2．6s 拉、受压损伤分别见图5。 后，地震波已处于较高峰值，结构主要构件出现了明 娃的损伤．刚度开始退化，振动频率逐步降低，因此 两条位移时程曲线开始发生偏离，表现在：弹塑性位 移与弹性位移时程相比，峰值出现的时刻滞后，且峰 值更大，相邻波峰(谷)之间的时间问隔更长，但 两条曲线的形态规律仍基本一致。 ^ ^——*i* A ＼i．。 ／＼ ” ．√n?㈨．i—P!胁i瓜，叽：烈． V9q目{3誉，莘f强节Ⅳ。Viw～ I雎＼』U。 图3结构顶点Y向位移时程曲线 整个地震作用过程中，结构璜点弹塑性位移的最 大值为252mm，出现在9．52s，为结构总高度的 1／394。 (2)结构损伤 在地震作用的前1．5s，结构完全处于弹性。1．5s 图5标准层楼板损伤 整个地震过程中，框架部分应力始终不大，基本 处于弹性状态。出现以上破坏现象的主要原因是：1) 结构体型较差，中间部位连接薄弱，该区域Y向剪力 墙数量不足，且布置不合理，未形成有效的抗侧力体 系；2)左侧外围剪力墙与中部核心筒剪力墙间距较 大．迭36m，损伤较右侧外围剪力墙严重。 6—63 目自●口§ 根据以上分析，对原结构进行了调整．包括 对结构连接部位进行加强、调整剪力墙布置及空中花 园位置等措施，使之能够满足“大震不倒”的要求。 4 结语 (1)在结构设计中，相对于电算分析，概念设计 显得更为重要。即便是弹性计算结果较为理想的结构， 在罕遇地震下也可能会发生明显的震害。因此，设计 人员应该从概念设计的角度对结梅进行整体的把握和 判断，而不能完全依赖常规电算的结果进行设计。 (2)对重要的高层建筑和复杂结构进行动力弹 塑性分析，可以弥补弹性分析方法的不足，帮助设计 人员找到其薄弱部位；对结构在地震作用下的可靠度 进行评估，减少了设计的盲目性，使结构设计更加合 理和安全。 (3)随着计算分析理论及方法的发展和成熟， 使用通用有限元软件ABAQUS进行结构动力弹塑性时 程分析已经逐步变为现实，该方法已经成功应用于东 莞台商会馆大楼(289m超限高层)、深圳京基大梅沙 酒店(带桁架转换的高层钢结构)等多项复杂结构 分析，取得了良好的效果。 参 考 文 献 [1]建筑抗震设计规范(GBS001l一2∞1)[S]中国建筑工业出版 社，2001． [2]高层建筑混凝±结扮技木规程($GJ3--2002)[S]．中国建筑 工业出版社，2002． [3]吕西林超限高层建筑工程抗震设计指南[M]．同济大学 出版社，2005． [4]方鄄华高层建筑锕筋混凝土结构概念设计[M]机械工 业出版社，2004， [5]ABAQU$，I弛ABAQUSTheoryManual[M]，2004 [6]彪仿经，阎晓话，陈志强辱．动力弹塑性时程分析的方法厦 其应用[J]探圳土术与建筑，2006(1)． (上接笫6—60页) 律性差，离散性高，而现在大量新型结构材料和结 构形式的应用使阻尼的研究面临新的课题，因此， 要想使阻尼研究取得新的进展，探讨合理有效的结 构试验方法是阻尼研究取得进展的首要问题。在一 般的动力分析中，总是着眼于主要的结构构件，面 将填充维护部分当作质量和荷载来考虑，但实际振 动过程中，阻尼耗能恰恰主要发生在这些附属结构 的内部及其与主体结构问的摩擦。现行的模型实验 中也忽珞了附属部分的作用，因面结论不尽合理。 因此，研究模型试验与实际结构相符程度问题是阻 尼研究取得进展的前提。 ● 考 文 献 1]沈聚敏，周锝元．高小旺抗震工程学[M]北京：中国 建筑工业出版社，2002． 2]黄宗明．结构地震反应时程分析中的阻尼研究[D]重庆 建筑大学，1995 3]HARTGc，VASNDEVANR Earthquakedesigmofbuildi哪．：damp ing[】]．JouraaloftheStraemralDivision．ASCE，19"／5，101(s1)： 185—192 4]JgARYAP DampinginBuuctII他[J]．．IouraalofWind 6—64 E月永neering粕dIndastrislAerod”aaraica，1997。72：345—3硝． [5]董军，邓洪剥等结构动力分析阻尼模型研究[J]世界地 震工程．2000(12)． [6]KENICHISUDA．NAOKISATAKED蛐pingproperties。fbalm— ingsinJap肌[J]JournalofWindEngineeringandIndustrial Aemdyntmles1996．59：383—392， [7】张相庭．结构阻尼耗胎假设丑其在振动计算中的应用(J]． 振动与冲击，1982。s(2)：12—22． [8]黄宗明结构地震反应时程分析中的阻尼研究[D]．重庆建 筑大学，1995 [9]JEARY．AP Thedescription¨dⅧu”∞Iofnonlineardamp． ingiIlstructuzes[J】．JournalofWindEngineering蛆dIndustrl· alAerodynamics．1996，59：103—114． [10]何益斌．唐谢辨等．钢筋强凝土受弯构件振动中的阻尼耗 能研究[J]．工业建筑，2006，36(2)：11-15 [11]CELEBIMCDmparlsonofdamping迅buildingsunderlow—am- p|itudee．adetrongmotioud[J1．J0uraalofWindEngineering andlnduAtrtdAerodynsmics1996．59：309·323 [12]唐谢兴钢筋混凝土受弯构件振动中的阻尼耗能和破坏模 型研究[D]蠲南大学。2005 [13]董军，邓洪洲等．结构动力分析阻尼模型研究[J]．世界 地震工程．2000，16(4)：63-69， [14]李田．结构时程动力分折中曲阻尼最值研究[j]．土木工 程学报，1995．30(3)：68·73． 通用有限元软件ABAQUS在动力弹塑性时程分析中的应用 作者： 王传甲， 陈志强， 王庆扬， 张劲， 阎晓铭， 彪仿俊 作者单位： 王传甲,陈志强,阎晓铭,彪仿俊(深圳市电子院设计有限公司,518031)， 王庆扬(深圳市电子 院设计有限公司,518031;中国石油大学,北京,102249)， 张劲(中国石油大学,北京,102249) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6121192.aspx