钢管混凝土框架结构抗震性能的非线性有限元分析

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发布时间：2021-09-12

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钢管混凝土框架结构抗震性能的非线性有限元分析*
丁阳许成祥1.2戴学新' 李忠献
(1天津大学建筑工程学院 300072;2江汉石油学院土建系荆州 434023)
[提要]基于一榀两跨3层钢管混凝土框架的抗震性能模型试验,建立了基于钢管混凝土统一模量理论的钢
管混凝土以及考虑钢管约束效应的核心混凝的本构方程,分别按照钢管混凝土的统一模量理论和分离模
量理论,采用ANSYS 参数化程序设计语言(APDL)编制了命令流,对模型框架在低周反复荷载作用下的抗震
性能进行了非线性有限元分析、计算结果与模型试验结果吻合较好,验证了基于统一模量理论的钢管混凝
框架结构全过程分析方法的可行性,以及所编制的APDL 命令流程序对钢管混凝土框架结构抗震计算的有效
性,为钢管混凝土框架结构的抗震设计提供了实用的计算软件。
[关键词]钢管混凝土框架结构抗震性能非线性有限元分析统一模量分离模量
Based on the model experiment on seismic hehavior of a 2-span,3-story concrele filled steel tubular (CFST) frame
under lateral cyclic loads,the constitutive equations of ihe CFST in terms of the uniform modulus theory and the corr
stitutive equations of the core concrete considering the restraint effect of steel tube are built.A command stream is
edited with the ANSYS Parametric Design Language (APDL),and ihe nonlinear finite element analysis on the seis
mic behavior of the model frame under lateral cyclic loads is completed.The calculated results are much coincided with
form modulus theory of CFST,and the effectiveness of the computer program of APDL command stream for seismic the lested results, which further proves the rationality of the design method of the CFST frames,based on the unr
calculation of CFST frames, and provides a practical software for seismic design of CFST frames.
Keywords:concrete filled steel tubular (CFST) frame; seismic behavior; nonlinear finite element analysis; uniform
modulus;separated modulus
一、引言作用下的滞回性能进行了分析:根据非线性有限元基
钢管混凝土是由钢管和混凝土两种材料组成,由本理论,提出了适合于钢管混凝土框架的梁柱单元列
于两种材料的力学性能差异很大,其受力机理十分复式,进行单层钢管混凝土框架荷载-位移滞回全过程分
杂。通过合理的单元划分,有限元方法可以很好地解析,上述方法的计算结果与试验结果吻合良好。
决两种材料的力学性能差异,获得令人满意的计算结基于钢管混凝土受力特点,可建立适用于反复荷
果,1997年Hajjar"和Schillerl21等提出两种用于方形载作用下钢管混凝土结构材料的木构关系,分别应用
和矩形钢管混凝土结构和构件动力计算的有限元方钢管混凝土统一模量理论和分离模量理论,考虑材料
法,一种方法采用考虑材料、几何和物理非线性的纤维非线性、几何非线性和节点加强和刚度退化等因素的
模型,并用非线性滑移面模型模拟钢管和混凝土之间影响。进而采用ANSYS的参数化程序设计语言
的滑移;另一种方法采用三维力空间的边界面模型来 (APDL)编制命令流,对钢管混凝土框架在低周反复荷
模拟钢管与混凝土的几何和物理非线性,准确地描述载作用下的受力性能进行非线性有限元全过程分析,
了钢材和混凝土在反复荷载下的应力应变关系。二、钢管混凝土框架模型试验
1991年Matsuani用KOSMOS有限元程序对钢管根据现行规范和规程设计制作的一榀两跨3层钢
混凝结构体系进行了三维弹塑性地震反应分析,程管混凝土框架模型,详见文[8],对该模型框架施加恒
序中钢管混凝土柱和组合梁都采用简单的双线性滞回定竖向荷载和低周反复水平荷载进行抗震性能试验研
模型,1994年屠永清[51提出一种有限元方法,钢材采究结果表明明,基于现行规范所设计的钢管混凝土框
用双线性模型,混凝土采用修正的边界面模型,2000架在地震时能形成梁铰破坏机制,框架的变形能力、
年张文福6和钟善桐7等提出适合循环加载条件的核承载能力、延性耗能能力等受力性能均满足延性框架
心混凝土关系模型,模型考虑了三向及裂面接触效应, 的抗震要求,并且框架模型的有效延性系数达到了
采用切线刚度矩阵方法对钢管混凝土构件在反复荷载 *天津市自然科学基金重点资助项目013617411.