蜂窝梁钢框架IDA分析

贾连光1秦鹏辉1

摘要：为对考虑混凝土楼板效应的蜂窝梁钢框架进行抗震性能增量动力(IDA)分析，本文以蜂窝梁钢框架结构抗震性能试验为基础，将拟动力试验与有限元模拟相结合，采用有限元模拟蜂窝梁钢框架结构，研究在不同地震波作用下的模态分析。结合拟动力试验结果建立多层蜂窝梁钢框架结构的有限元模型。对不同地震动强度作用下考虑楼板效应的蜂窝梁钢框架结构进行增量动力分析(IDA)法分析，研究蜂窝梁钢框架结构在不同地震波作用下的抗震性能。

关键词：蜂窝梁钢框架；楼板效应；增量动力分析

引言

蜂窝梁钢框架结构具有节省钢材、降低自重、便于穿越管线等优点，由于蜂窝梁腹板开孔削弱，降低了焊缝区域的脆断可能性并提高转动能力，增大结构的延性，目前已被广泛应用到各项工程领域中[1-3]。目前，国内学者对钢结构的抗震性能做了初步的研究和分析。李红超[4]进行了原型钢和蜂窝节点在低周往复荷载下的实验研究，提出了梁柱腹板开孔的取值范围。孙宏达[5]应用有限元分析方法，对一榀单层单跨和一榀两层单跨蜂窝式梁-柱钢框架结构进行竖向荷载和低周反复荷载试验研究。研究表明：蜂窝钢框架的延性相对较差,但耗能能力较好，节点域剪切变形、P-Δ效应对框架层间位移的影响较大。

本文将蜂窝梁钢框架结构的抗震性能拟动力试验与ABAQUS有限元模拟相结合，通过增量动力分析（IDA）[6-8]对地震输入下蜂窝钢框架结构进行研究和分析,探讨蜂窝结构的抗震性能。

1蜂窝梁钢框架有限元分析

1.1有限元模型

为了对蜂窝组合结构抗震性能进行分析，在已完成的拟动力试验基础上，运用通用有限元软件ABAQUS按照试验中试件的实际尺寸建立蜂窝梁钢框架有限元模型[9，10]，并且严格遵循试验加载制度，对蜂窝梁钢框架模型进行模态分析并与试验结果进行对比，以验证有限元模型的正确性及数值模拟方法的适用性。按照试验中试件的实际尺寸建立模型，过程中考虑结构的几何非线性，忽略试验中蜂窝梁钢框架的初始缺陷及焊接残余应力对试件的影响。

本文建立的蜂窝钢梁、钢柱采用了S4R四节点缩减积分单元，可以保证模型稳定地进行计算分析。混凝土板则是采用C3D8R空间三维缩减积分实体单元建立，板内钢筋采用T3D2三维桁架单元进行模拟。根据试验的实际边界条件，将蜂窝梁钢框架中四根钢柱的底部X、Y、Z三个方向的位移和转角全部施加约束，来模拟试件中柱底的约。

在ABAQUS建模的过程中，采用装配（Assembly）模块中的合并（Merge）命令将蜂窝钢梁、钢柱及加劲肋这几个独立的部件合并成一个整体。试验的原结构处在Ⅱ类场地，选择Ⅱ类场地发生的上实际发生过的EL-Centro波、Taft波和兰州波，转化成地震加速度峰值为70cm/s2的波形。

按照上述简历蜂窝梁钢框架模型，将有限元分析的结果与真实试验结果进行比对，验证有限元模型建立的正确性和适用性。

1.2有限元模型与试验结果对比

1.2.1模态分析对比

通过有限元软件对考虑混凝土板的蜂窝梁钢框架进行了满载情形的模态分析。现场原位测试得到的是蜂窝组合梁钢结构的横向和纵向的一阶频率。由框架自振频率实测值和模拟值对比可知框架纵向一阶频率的有限元计算结果和实测值的频率较接近。

1.2.2最大位移对比

对比结构体系在不同地震波作用下顶层、底层的位移峰值，可知同一结构体系在同条地震波作用下，结构体系的两种位移峰值基本相同，理论的位移峰值稍微比实际结构的位移峰值小一些。

1.2.3基底剪力的对比

结构体系的计算机模拟与试验基底剪力反应峰值，对比可知:同一结构体系在同条波作用下，二者基地最大剪力基本一致，有限元模拟分析得到的结果比试验结构基底剪力响应峰值稍微大一些。基于完成的拟动力试验，运用ABAQUS建立有限元模型并根据试验结果（模态分析、最大位移及基底剪力）进行对比分析，结果表明所建有限元模型的位移峰值一致，说明有限元模型的建立是合理及准确的。

2蜂窝梁钢框架结构IDA分析

对已通过验证的模型进行扩尺，建立两榀八层双跨带楼板的蜂窝梁钢框架和实腹梁式钢框架。

2.1EI-Centro波作用下的IDA分析

在适用于II类场地的EL-centro地震波作用下分别对普通钢框架结构（SFJG）和蜂窝梁钢框架结构（FWJG）进行了弹塑性时程分析，提取出各地震动强度(PGA)下最大层间位移角绘制IDA曲线。四个模型的IDA曲线大体趋势相同，均随着地震动强度(PGA)的增加，层间位移角也逐渐增大，且曲线斜率逐渐变大，层间位移角增大的趋势越来越快。蜂窝梁钢框架结构在大约400gal之前的地震反应与普通钢框架结构基本相同，但在400gal（罕遇地震）之后，蜂窝梁钢框架结构(FWJG)遇到地震带来的破坏程度要逐渐大于普通钢框架结构(SFJG)。

2.2TAFT波作用下的IDA分析

在适用于III类场地的TAFT波作用下分别对普通钢框架结构（SFJG）和蜂窝梁钢框架结构（FWJG）进行了弹塑性时程分析，提取出各地震动强度（PGA）下最大层间位移角绘制IDA曲线。四个模型的IDA均随着地震动强度（PGA）的增加呈线性关系，在200gal之前，普通钢框架与蜂窝梁钢框架的最大层间位移角几乎相同，在200gal-600gal之间，蜂窝梁钢框架的最大层间位移角开始略大于普通钢框架。但当地震动强度(PGA)加大到600gal之后，普通钢框架的层间位移角开始超过蜂窝梁钢框架。说明在TAFT地震波作用下，蜂窝梁钢框架与普通钢框架的抗震性能随着地震强度的改变也表现不同。

2.3兰州波作用下的IDA分析

在适用于II类场地的兰州波作用下分别对普通钢框架结构（SFJG）和蜂窝梁钢框架结构（FWJG）进行了弹塑性时程分析，提取出各地震动强度（PGA）下最大层间位移角绘制IDA曲线。蜂窝梁钢框架的IDA曲线完全呈线性关系，在调幅的过程中蜂窝梁钢框架的层间位移角始终大于普通钢框架，说明在兰州波的作用下，蜂窝梁钢框架的抗震性能表现略差于普通钢框架。

3结论

（1）同一结构在不同地震动作用下的IDA曲线存在一定差别，但仍然有较为统一的变化趋势。不同地震动强度参数条件下的IDA曲线簇的形状及离散性差异也较大。

（2）在EL-Centro波作用下，在400gal之后，蜂窝梁钢框架结构的抗震性能表现要略差于普通钢框架结构；在TAFT波作用下，随着地震动强度的改变，两种结构的抗震性能表现差异也不同；在兰州波作用下，两种结构均展现了良好的抗震性能，均未达到轻度破坏状态。

参考文献

[1]谌伟.考虑组合效应的腹板开圆孔型节点的抗震性能研究[D].北京:北京交通大学，2009.

[2]组合效应对腹板开圆孔型节点抗震性能影响研究[D].北京交通大学，2010.

[3]彭中华.腹板开圆孔型钢结构梁柱组合节点性能数值分析[D].北京交通大学，2011.

[4]贾连光，李红超.蜂窝式钢框架梁柱节点抗震性能研究[J].沈阳建筑大学2011.

[5]贾连光，孙宏达，李庆文.开孔形式对蜂窝框架抗震性能的影响[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版,2011,27（4）:666-673.

[6]陆新征，施炜，三维地震动输入对IDA倒塌易损性分析的影响工程抗震与加固改造，2011,33（6）:1-7.

[7]李谦.增量动力分析方法的研究及其应用[[D].西安:西安建筑科技大学，2011.

[8]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京：机械工业出版社,2006.

[9]基于ABAQUS的钢—混凝土组合梁钢框架抗震性能研究[D].

[10]刘彩玲钢框架结构拟动力试验及结构动力相似关系研究西安建筑科技大学2008.06.

基金项目

国家自然科学基金（51578346）。

作者简介

贾连光（1961-），男，辽宁沈阳人，工学硕士，教授。

秦鹏辉（1991-），男，河南安阳人，工学研究生。