厉见芬1,2 彭铁红3 王 燕1 陈 晓1
(1.青岛理工大学土木工程学院, 山东青岛 266033； 2.常州市建设工程结构与材料性能研究
重点实验室,常州工学院, 江苏常州 213002； 3.中国冶金科工股份有限公司, 北京 100028)
摘 要：延性钢框架结构在地震高烈度区的应用具有显著优势,全面综述了国内外学者针对不同节点形式的延性钢框架在地震模拟试验和数值分析方法等方面取得的研究成果,包括地震模拟试验模型的选择及相似率应用、数值分析方法的合理选择,多精度计算模型的应用等内容,为此类新型延性钢框架进一步的研究工作及设计方法制定提供参考,同时促进其在我国钢结构工程中的应用。
关键词：延性钢框架； 文献综述； 研究进展； 试验研究； 数值分析方法
*国家自然科学基金项目(51278259);青岛理工大学自然科学基金项目(YN1415)。
第一作者：厉见芬,女,1976出生,博士研究生,副教授,国家一级注册结构工程师。
Email:lijf@czu.cn
我国有文字记载的地震达8 000余次,其中成灾者超千起。仅近几年来,我国就遭受到汶川8.0级,玉树7.1级,芦山7.0级等多次破坏性地震[1-2]。而限于目前人类对地球起源、地球内部结构及其运动规律知识的匮乏,尚不能对地震的发生进行准确的短期预报,再一次的破坏性地震随时可能来临。针对如此严峻的地震形势,设计并应用抗震性能较好的延性钢框架结构(图1)非常必要。目前,国内外对延性梁柱节点及平面钢框架的研究工作已经取得了一定的成果,但延性空间钢框架的试验和理论研究很少,延性钢框架结构的振动台试验及动力特性研究更是国内空白。
1.1 国内外研究现状
a—圆弧扩翼式节点；b—盖板加强式节点；c—翼缘过渡板加强节点；d—有加劲肋形节点；
e—腋板加强形节点；f—腹板开洞形节点；g—开长槽形节点；h—圆弧削弱形节点。
图1 不同节点形式的延性钢框架
国外研究主要集中在延性梁柱连接节点和平面钢框架上,对延性钢框架结构进行空间分析的研究很少[3-4],美国加利福尼亚大学柏克利分校的研究人员分别采用试验研究及有限元分析方法研究了盖板加强型和翼缘板加强型节点在低周往复荷载作用下的性能[5-6],国内针对新型延性节点钢框架的抗震性能研究几乎没有,试验研究大多集中在半刚性连接钢结构、带混凝土填充墙的组合钢框架、普通节点钢框架的整体性能研究上。以下是近年来国内钢框架的试验研究情况。
刘玉姝,李国强对7榀普通节点钢框架及带填充墙钢框架结构进行水平静力及低周反复加载试验[7]。陈以一等对两个空间薄柔构件钢框架进行了滞回耗能试验研究[8]。李国强等研究两榀足尺的两层两跨半刚性连接组合框架在水平荷载下的钢框架结构整体性能,并考虑了组合楼板的效应[9]。黄炳生等提出了梁端楔形翼缘连接节点,研究结构的滞回性能、耗能机制、耗能能力、刚度退化和破坏形态[10]。李波等对梁腹板开圆孔的钢框架进行了试验与数值分析[11]。陈立权、王燕等建立缩尺比例为1∶2的圆弧扩翼式节点平面钢框架,对其进行拟静力加载试验和拟动力试验[12]。韩小雷,陈学伟等国内外学者对普通节点钢框架进行了振动台试验和弹塑性数值模拟[13-17]。
1.2 地震模拟试验模型设计中相似率的应用
拟静力试验施加的是低周反复荷载,不能模拟地震破坏状况。拟动力试验与地震模拟振动台相比,投资少,设备简单,但也有其不足之处,如试验中加载时间过长,徐变影响不能排除等。而利用振动台进行结构地震模拟试验是研究工程结构抗震能力和破坏机理的重要手段。但是,限于振动台的设备能力,大型建(构)筑物只能以缩尺模型进行试验。为使模型试验结果能尽量真实地反映原型结构的性状,必须考虑原型与模型的相似性；而且不能只考虑建(构)筑物中结构构件的模拟,而忽略活载和非结构构件的地震效应。因为现代建筑中依附于结构构件的装修材料、非结构构件、楼面活载以及屋面积雪、积灰荷载,虽然对结构刚度影响不大,却有相当可观的质量效应；忽略这些质量,将导致模型自振周期减低、楼层剪力和竖向压应力减小,使模型试验结果不能正确反映原型的性状。
对于结构的地震反应问题,在线弹性范围内,定义量A在原型结构中的数值为A1；在模型中的数值为Am；则模型设计中量A的相似比为Ar=Am/A1。定义σ结构反应应力；l为结构构件尺寸；E为结构构件的弹性模量；ρ为结构构件的质量密度；t为时间； γ为结构反应变位； ν为结构反应速度；a为结构反应加速度；g为重力加速度； ω为结构自振圆频率。
欲使模型试验能模拟原型结构的地震反应,各无量纲量的相似比必须满足以下条件(其中长度相似比为lr,弹性模量相似比为Er)。
应力：σr=Er 速度：
变位：γr=lr 加速度：ar=Er/(lrρr)=gr
时间：
(1)
分析以上各相似条件可以发现,满足式(1)全部关系是难以做到的。其主要困难在于,模型试验中重力加速度不可改变,故应满足ar=gr=1,换言之,有关系式Er=lrρr。这样Er,lr,ρr三者不能独立地任意选择,给模型设计带来极大的困难。为解决这一问题,目前一般采取下面3种模型[18-19]。
1.2.1 忽略重力模型
在模型设计中不考虑重力加速度的模拟,亦即忽略ar=gr=1的相似要求,此时式Er,lr,ρr三者可自由独立选取,这种模型称为忽略重力模型。显然,忽略重力加速度的相似要求,将在某种程度上给试验结果带来误差。
1.2.2 人工质量模型
由Er=lrρr,可得
(2)
式中:mp为原型结构构件总质量;mop为原型结构中活载和非结构构件总质量。
建筑结构中活载与非结构构件种类繁多、性态各异,模型中活载质量mm的设置可遵循与人工质量ma相同的原则,即可选用密度较大的材料(如铅块)等效布置,模型结构不同部位的活载质量分布应符合原型中活载与非结构构件的实际情况,且模型中活载质量的设置应不影响模型结构构件的刚度。
1.2.3 欠人工质量模型
前述忽略重力模型和人工质量模型,均运用Bokinha二定理推导得出,只不过前者不设人工质量,忽略了部分重力效应,而后者通过设置人工质量适当地模拟了全部重力和惯性力效应。那么,给出这两种相似规律的一致表达式将解决介于人工质量模型和忽略重力模型之间的“欠人工质量模型”的设计问题。
以上三种模型的差别仅在于是否设置人工质量和设置多少人工质量,因此,在相似律推导中可定义一个与人工质量多少有关的变量,称之为模型结构的等效质量密度
(3)
不难看出,对于使用非原型材料的一般情况,若将一致相似律中的ma取为零,且mom=mop=0(不考虑活载等的模拟),则可得到与忽略重力模型相同的相似关系。若将一致相似律中的ma取为
1.3 地震模拟试验模型的合理选取
地震模拟试验中如果人工质量施加不足,特别是当低于50%[20-21]的理论人工质量时,因竖向压应力不足产生的问题在试验中难以补救,而对于钢框架结构,会导致P-Δ效应减弱,从而使钢柱的受弯承载力增加,发生迟于实际结构的破坏,模型难以反应原型的各项指标。实际模型设计时,应根据振动台最大承载力,同时考虑模型等效设计[22-23]和设置部分人工质量,使模型的重力效应尽可能达到应有重力效应的80%以上,可避免“忽略重力模型”的重大误差,此类“欠人工质量模型”的设计则适当又可行。
2.1 国内外研究现状
近年来,国内外对平面普通节点钢框架以及半刚性节点钢框架的分析较多,其中新型延性节点平面钢框架和空间钢框架的研究也逐步开展起来。李跃辉从力学原理出发,基于连续介质力学有限变形理论和内力屈服面塑性流动理论的结构分析有限单元法[24]。邵永松等建立10个空间钢框架的ANSYS有限元模型,层数为2,6,10层并进行动力时程分析,输入实震地震波,计算结果表明：层数增多结构顶点的位移增大；框架梁柱连接的相对刚度增大,层间位移角减小,水平侧移减小,表明节点刚度影响框架的整体的侧移,层转角和剪力的大小,节点刚度越大,位移越小,层转角也小,但地震作用时层间剪力会增大[25]。王涛用 ANSYS 分析了普通节点多层空间钢框架的稳定性[26]。陶帅,王燕等用 ANSYS 有限元软件建立新型延性节点平面钢框架的半结构模型和全结构模型,得出两种模型在低周反复位移下的钢框架现象均符合试验现象[27]。陈学伟,韩小雷等采用不同的有限元模型对足尺普通钢框架振动台试验进行模拟分析,探索各种方法的优缺点[28-31]。邓振丹用ANSYS软件对复杂钢框架-支撑体系结构(天津大学图书馆)进行预测性分析,与振动台试验结果吻合较好[32]。吴强采用ANSYS软件对钢筋混凝土框架进行多尺度分析的方法亦可借鉴[33]。
2.2 延性钢框架数值分析方法的合理选择
随着我国经济的发展,对建筑结构的抗震性能评估有了更高的要求。常规结构线弹性分析方法已经很难满足结构抗震分析的要求。因此如何正确的对结构进行非线性分析,准确地预测结构在罕遇地震作用下的非线性行为,成为结构性能设计中的重点问题。结构非线性分析模型可分为微观模型和宏观模型两种,其中微观模型直接用实体或者板壳单元等模拟结构或构件,虽然微观模型力学原理清晰,但存在建模难、计算量大,试验分析校正困难等问题,所以很难用于模拟大型整体结构。与微观模型相对应的是宏观模型,宏观单元具有自由度少,计算量小等优点。纤维模型与多弹簧模型是基于材料本构层次的有限元分析方法,纤维模型与多弹簧模型可以模拟较好地描述结构构件非线性受力性能,并且计算量小,试验分析校正相对简单,适用于整体结构弹塑性分析。基于纤维模型的结构非线性分析方法在国外已经应用很多, OpenSees程序便是基于纤维模型的有限元程序的代表[29],可用于杆系结构的分析。
2.3 多尺度计算模型在延性钢框架数值分析中的应用
以ANSYS有限元程序为例,宏观模型主要采用杆、壳等单元, 计算量小但不能反映结构的微观破坏机理, 如结构的局部失稳、节点破坏、接触问题等。而基于实体单元的微观分析虽然可以较好地把握结构的局部破坏过程, 但由于计算量加大, 收敛性较差而受到限制,因此可考虑对整体结构中的局部构件采用实体单元进行建模分析, 即能够兼顾结构局部破坏和结构整体受力行为的计算模型多尺度计算模型就是解决该问题的有效方法,当然亦可采用相同的单元类型,但分区用疏密单元网格的多精度计算模型。
延性节点和平面钢框架的性能并不能完全反映出延性空间框架的整体性能,需结合已有的研究成果,建立延性钢框架结构有限元模型并设计试验方案,采用合理的满足相似率的试验模型,并用直接动力法进行结构的抗震性能研究,可采用时程分析法和直接振动台试验,输入国际和国内多种典型地震波,模拟此类结构在地震作用下的破坏机理、滞回性能、退化性能以及关键部位的损伤性能,为高烈度区此类新型延性节点钢框架的设计理论和计算分析提供依据,为其工程应用提供可靠的技术支持,并可为相应规范修订提供参考。
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AN OVERVIEW OF RESEARCH PROGRESS OF EARTHQUAKE SIMULATED TESTS AND NUMERICAL ANALYSIS METHODS FOR STEEL FRAMES WITH DUCTILE NODESLi Jianfen1,2 Peng Tiehong3 Wang Yan1 Chen Xiao1
(1. School of Civil Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China； 2. Changzhou Key Lab of
Construction Engineering Structure and Material Properties, Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213002, China；
3. Metallurgical Corporation of China Ltd, Beijing 100028, China)
ABSTRACT：Steel frames with ductile nodes have significant advantages in high intensity seismic region due to their advantages in structural architectural. Recent researches on earthquake simulated tests and numerical analysis methods on steel frames with ductile nodes were comprehensively reviewed, including selections and similitude laws on earthquake simulated test models, reasonable selection of numerical analysis methods, application of calculation model with multi precision. This paper could provide valuable information for both further relevant investigations and proposal of design method, and also promote the application of steel frames with ductile nodes in China.
KEY WORDS：steel frames with ductile nodes; literature review; research progress; experimental investigation; numerical analysis method
收稿日期：2015-08-26
DOI:10.13206/j.gjg201601001
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