[分享]钢框架柱抗震性能数值分析

0、引言

钢框架结构是抗震性能优越的延性结构形式。但是近年来发生的大地震中，仍存在大量钢框架结构破坏的现象。在钢框架结构分析中，当侧面受到水平载荷时，钢框架柱产生侧向位移和变形，柱的顶部及底部产生弯矩，柱高度方向的中部会产生反弯点，此时反弯点可看作是柱水平方向上可移动的铰，见图1。本文以钢框架柱为例进行抗震性能分析。

                  

1、模型介绍

目前模拟钢构件采用的材料本构模型包括两折线本构模型、三折线本构模型、指数本构模型、Ramberg-Osgood模型、Giuffré-Menegotto-Pinto模型，见图2。采用非线性随动强化模型（CHABOCHE）及多线性各向同性强化模型（MISO）的混合强化模型，见图3。分析时可采用实体单元（Solid185），Solid185单元是用于构造三维固体结构单元，见图4（a）；也可采用壳单元（Shell181），见图4（b）。

                       

              

(a)两折线模型                   

(b)三折线模型

     

(c)指数模型               

(d) Giuffré-Menegotto-Pinto模型

图2 本构模型

（a）随动强化模型        

（b）各项同性强化模型

图3 混合强化模型

                           

（a）Solid185单元  

（b）Shell181

图4 Solid185单元及Shell181单元

算例

以H型钢柱为例。截面为250mm´250mm´9mm´14mm，加载位置至柱底距离为l₀=1410mm。有限元模型中H型钢柱刚接于底部端板，柱顶部的端板也与H型钢柱刚接，位移荷载施加在H型钢柱的顶部截面上，为了保证H型钢柱的上部节点在平面内移动，在上部节点的位置加上平面外的位移约束保证柱顶沿着Y轴（腹板方向）移动。具体网格划分为：截面翼缘单元网格划14mm，高度方向在Z=0~1410以下为10mm，在Z=1410~1500，为15mm。截面腹板单元网格划分为9mm，高度方向在Z=0~1410以下为10mm，在Z=1410-1500，为15mm。在做抗震分析前，应先进行特征值屈曲分析，见图5，最终破坏状态见图6。

                                   （a）网格划分    

                                  （b）屈曲模态

图6 有限元模拟破坏形态