徐國林

(中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080)

巨型鋼框架結(jié)構(gòu)非線性地震反應分析方法研究

徐國林

(中國地震局工程力學研究所，哈爾濱 150080)

巨型鋼框架結(jié)構(gòu)是一種具有巨大抗側(cè)移剛度及整體工作性能的大型結(jié)構(gòu)形式，由于結(jié)構(gòu)布置靈活、節(jié)省材料、充分發(fā)揮材料強度和有利于抗震等特點，在近幾十年來得到了廣泛的應用。

在罕遇荷載作用下，結(jié)構(gòu)中常常會出現(xiàn)桿件屈服，需要對結(jié)構(gòu)進行非線性分析。巨型鋼框架結(jié)構(gòu)中格構(gòu)式巨型梁和巨型柱構(gòu)成復雜，其桿件非線性分析模型及結(jié)構(gòu)的非線性分析方法均未得到很好的解決。因此，本文對巨型鋼框架結(jié)構(gòu)精細和實用的非線性分析方法及其應用進行了深入研究，為此類高層建筑地震反應分析、抗震性能及抗震設計方法提供有效的分析手段。主要工作如下:

系統(tǒng)地總結(jié)和評述了現(xiàn)有巨型鋼框架結(jié)構(gòu)三維非線性分析方法及其優(yōu)缺點，為本文的研究奠定了基礎。

選用具有良好精度和計算效率的4節(jié)點減縮積分殼單元對巨型構(gòu)件進行離散，建立分析模型，給出了基于三維殼單元模型巨型鋼框架非線性地震反應分析方法，并利用大型有限元程序MSC.Marc加以實現(xiàn)，采用其并行運算技術減縮了計算耗時。該方法作為精細分析方法可用于構(gòu)件及節(jié)點的受力特性研究以及小型結(jié)構(gòu)的非線性反應分析。本文采用該方法對巨型柱支撐形式進行了研究，選用不同長細比的支撐桿件，對比了常用三種支撐形式巨型柱的剛度、延性和耗能能力，給出了巨型柱中支撐形式選取的建議。

將Timshenko梁理論與纖維模型相結(jié)合，以剛度法為基礎推導了單元剛度矩陣，建立了能夠考慮剪切屈服與彎曲屈服相分離的纖維模型，實現(xiàn)了剪切變形對桿件剛度的影響。通過二次開發(fā)接口，將此單元剛度矩陣嵌入到有限元軟件MSC.Marc程序中，給出了基于Timshenko梁理論纖維模型的巨型鋼框架結(jié)構(gòu)非線性地震反應分析方法。

采用V.Mises屈服條件，關聯(lián)塑性的V.Mises流動法則和Zeigler增量隨動強化準則推導了能夠考慮一個主應力、兩個剪應力和扭轉(zhuǎn)應力的材料彈塑性矩陣，在此基礎上，推導了基于Timshenko梁理論有限分割塑性區(qū)模型單元剛度矩陣，通過二次開發(fā)接口，將此單元剛度矩陣嵌入到有限元軟件MSC.Marc程序中，給出了基于有限分割塑性區(qū)模型的巨型鋼框架結(jié)構(gòu)非線性地震反應分析方法。

采用本文所給的三種巨型鋼框架結(jié)構(gòu)非線性地震反應分析方法，對深梁和短梁構(gòu)件進行計算精度和效率的對比分析，結(jié)論表明，Timshenko梁纖維模型可作為巨型鋼框架結(jié)構(gòu)非線性地震反應分析的實用方法。采用該方法對一棟實際巨型鋼框架結(jié)構(gòu)進行了非線性地震反應分析，以此算例說明了該方法的適用性。

巨型鋼框架;非線性;地震反應分析方法;剛度矩陣;剛度法

TU352.1;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.01.018