钢框架结构抗震性能有限元分析

【摘 要】 抗震设计是建筑设计的一个重要方面，加之近期世界多个地区频繁发生地震，又将结构的抗震设计提升到了一个新的高度。钢结构作为建筑材料的一种，拥有较好的抗震性能。本论文应用ABAQUS数值分析软件，以一个六层的小型钢结构的框架结构为例，讨论研究了钢结构建筑物的抗震性能。

【关键词】 钢框架结构 ABAQUS 抗震性能 承载力

中图分类号：TU528.2 文献标志码：A

1 ABAQUS有限元模型设计

1.1钢结构模型设计

本文的模型是钢结构框架组成的建筑结构，高6层，共21.6m。地震荷载采用1s时间跨度的天津波。材料属性信息如下：

楼板为钢筋混凝土，弹性模量3 .8e10N/㎡，泊松比0.24，密度2400kg/m³。楼板厚0.1m。楼板上布设钢筋规格：钢筋直径为16mm，钢筋间距为100mm。

梁和柱采用钢材，弹性模量2.1e11N/㎡，泊松比0.3，密度7850kg/m³，屈服应力3.45e8 N/㎡，塑性应变为0。梁采用250*250*10*10的H型钢，柱采用400*400*20的箱型钢。

钢筋特性：彈性模量2.0e11 N/㎡，泊松比0.3，屈服应力2.35e8 N/㎡，塑性应变0，密度7800 kg/m³。

1.2 建模过程

（1）部件

点击左侧工具区的创建部件按钮，在三维模型空间下，用壳单元建立楼板，用线来创建结构的梁和柱，并分别命名为“zhongjianqiang”、“louban”、“liang”、“zhu”。（2）创建材料和截面属性

（2）部件

点击创建材料，创建属于楼板和剪力墙的混凝土及其所配钢筋的属性、柱子和梁的钢材属性，包括密度，弹性，塑性等。

点击创建剖面，分别创建250*250*10*10的H型钢和400*400*20的箱型钢剖面。

点击创建截面，首先类别选壳，类型为均质，为楼板和剪力墙创建厚度并且配筋。再创建类别和类型均为梁的截面，分别为梁和柱配备不同剖面的钢材。

点击指派截面，把对楼板、梁、柱和创建的截面分别指派。

最后点击指派梁方向，对梁和柱进行方向指派。

（3）装配和相互作用

点击创建实例，把需要的部件添加进来，包括创建的梁，板，柱。定要在相互作用里用约束命令将每层的梁和板绑定在一起。

（4） 设置分析步

点击创建分析步1，程序类型为通用，静力通用，点击继续，然后不改变任何参数，点击确定。分析步2，程序类型为通用，动力，隐式。

（5） 定义荷载和边界条件

点击创建荷载按钮，分析步选择Step-1，分析步类型为重力，在Y分量上即第2个分量中填入-9.8表示结构受到向下的重力为结构自重乘以9.8。

点击创建边界条件，分析步选择Step-1，首先对底部约束，分别将位移和转交固定，即将U1到U3和UR1到UR3勾选，相当于固定于地面上。之后施加X方向的地震作用，分别勾选A1和A3，并分别添加1s东西向和南北向的天津波幅值曲线。最后再把BC-1的Step-2的状态设置为未激活。

（6） 划分网格

点击按钮，对板进行布种，选用适当的比例因子。之后用命令创建网格。

（7）提交分析作业

创建作业。

点击作业管理器，提交分析作业，可监控分析过程直至完成作业。

1.3数值分析结果

（1）变形图

从下图可以看出，变形后整体结构的变化。

（2）加速度

结构六层梁柱角节点的空间加速度-时间变化图，选取A1（x轴）方向，如下图示：

2 结论

通过对ABAQUS软件模拟分析可知，钢框架结构在地震的荷载作用下（主要是地震力水平荷载）建筑物楼层的每一点均有移动。其中，建筑物底层和顶层的楼板移动较为明显，而中间楼层的楼板移动较小。

分析原因有以下几点：

（1）本框架结构中，梁、柱是结构承受地震作用的主要构件，其中柱承担了地震作用引起的水平剪力。

（2）经模拟研究分析表明，钢框架结构具有良好的抗震性能，符合延性设计的理念。这主要是由于钢结构本身延性好的原因，在地震来临时，可通过自身的拉伸，扭转等吸收、耗散地震能量，使建筑物不至于突然倒塌。钢框架结构在设计合理的前提下，可以做到 “小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计思想要求，其各项抗震性能指标满足规范要求，因而钢框架结构是一种具有优越的抗震性能、可在高层建筑中广泛应用的结构体系。

【参考文献】

[1] 黄襄云，周福霖.钢管混凝土框架结构地震模拟试验研究[J].西北建筑工程学院学报，2000，17（3）：14—17.