项钰
杭州市滨江区建设工程质量安全监督站
摘要：围绕多层矩形钢框架结构，分析钢框架在地震作用下的抗震分析以及其破坏时的失效模式。为模拟现场的参数，采用SAP2000进行建模，其中SAP2000是一款以有限元分析方法为基础的设计软件，建模完成后进行有限元分析，尽可能模拟钢框架结构在地震灾害中的结构变形与内力变化，也为同类型项目的模拟工作作出良好的示范作用。
关键词：多层矩形；钢框架；地震作用；数值建模
Research on Structural Failure and Numerical Modeling of Multi-layer Rectangular Steel Frame under Earthquake Action
Abstract: Around the multi-layer rectangular steel frame structure, the seismic analysis of the steel frame under earthquake action and the failure mode of its failure are analyzed, and the SAP2000 finite element analysis software is further used to model the steel frame and simulate the field parameters for operational analysis. Accurately simulate the structural deformation and internal force changes of the steel frame structure under the action of an earthquake to pave the way for the simulation work of the same type of project to make a good demonstration.
Keyword: multilayer rectangle; steel frame; seismic action; numerical modeling
引言
数千年来，人类在生存生活中遭遇过数不胜数的自然灾害。地震灾害一旦发生就极具破坏性和毁灭性，对人类的生存安全形成巨大隐患。我国是一个多地震国家，过半国土面积都遭受过或大或小的地震侵袭。仅就我国农村人口而言，总计8亿的农村人口就有6.5亿人居住于地震高烈度区[1]。为积极响应改革开放的号召，各地人民积极参与建设，大量人力物力都涌向城市，往城市倾斜，现代地震一经发生，所造成的人员伤亡以及经济损失会是不可估量和难以承受的[2]。
二十世纪以来，人类居住形式早已发生变化，从早先砖土结构探究发展，衍生到如今的砌体结构，为提高房屋结构的强度，工程师们又开发出了混凝土结构，进而研发出钢结构等形式[3]。钢材相比混凝土具有强度高的特点，而相同强度下的钢结构重量仅约为混凝土结构重量的50%，且钢材具有很好的延展性，构件不易发生脆性破坏，能在地震过程中对地震能量进行较为有效的消耗[4]。虽然钢结构建筑的优点生十分显著，但是在地震中钢结构建筑不同程度的破坏还是不可避免的[5]。
基于此，钢框架结构在地震作用时会发生整体结构与局部结构的强度与稳定性失效破坏，针对钢框架结构的受震失效破坏规律以及内力的变化情况仍然需要进行较为深入的探究与发现[6]，关于结构节点与结构各组件的实际变化规律可以利用三维有限元的方式进行模拟研究，但要准确把握模拟结构的准确性就需要在建模过程中建立正确的三维模型与有效的模拟参数作为前提条件，所以本文针对多层矩形钢框架结构在地震荷载作用下的变形特性，分析其结构的整体破坏失效的模式与准则，并利用层层递进的方式规范化三维建模软件各项流程，规范选取每个建模过程的参数选择，为准确模拟钢框架结构在地震作用下的结构变形与内力变化做好铺垫，也为同类型项目的模拟工作作出良好的示范作用。
1钢框架在地震作用下的结构灾变分析
1.1钢框架局部构建失效更新分析法
更新分析法是指有限元程序在进行非线性分析时，在非线性阶段每一步计算时都依据材料的本构关系对刚度矩阵进行更新，而这个过程就是更新问题。结构进入强非线性阶段以后，对数值进行精确求解会遇到一定的问题，或者在此阶段分析结果会出现不理想的离散性。为解决上述问题，在分析中控制模型更新的方法，将会对求解精确数值起到极大帮助，且能够使结构失效模式分析更为准确。其中分析模型更新主要是对构件塑性铰进行更新，当杆端扭转角达到极限值，即认定其已可无视转动方向的约束，形成机械铰。该结构构件在突变失效后内部存在内力重分布现象[7]。
1.2钢框架杆件的强度丢失准则
针对延性突出的的钢框架结构为研讨对象，当结构进入强非线性时，构件的抗弯承载力基本不变，但变形会发生较大的变化，因此在判断此类构件的失效准则时可以以构件变形为基准。而基于变形的损伤模型认为可以使用结构的变形来定义构件的损伤程度，结构变形包括结构的位移、塑性应变、塑性变形等[8]。
（1）延性比损伤模型
延性比是一种较为容易进行判断的损伤指标。转角延性通常用杆端峰值转角和屈服转角的比值进行表示：
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:历史最大损伤应变，:历史屈服应变，:历史极限应变。公式中代表广义位移。代表延性，为极限延性。只有在>时才有物理意义，其余情况都认定为结构没有产生损伤，取损伤指标为0。当=时，构件开始进入损伤阶段，此时的损伤指标也还是0。而当=时，则可以认定此时构件恰好处于极限稳定状态，此时的损伤指标为1，构件发生破坏。当构件的损伤指标大于1时，判定构件已经失效，转动方向上不再具有约束，形成机械铰。
2钢框架在地震作用下的建模流程
2.1模型概况
模型设置如下图2-1所示，模型层高设置为3.6m，一共分为4层，每一层的平面模型如下图2-2所示。
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2.2材料属性修正
建模采用SAP2000软件，具体步骤为：首先点击“定义”，材料属性的对话框内将有效屈服强度修改为236。进行上述操作的目的是有效计算塑性铰的属性。并且需要注意设定的单位为N和mm。
2.3不同水准地震反应谱函数定义
在SAP2000中的抗倾覆分析中，首先进行地震响应谱函数的分级定义，进而使用程序生成相应的需求谱。不同级别地震对应不同级别的需求谱，以此进行抗倾覆的分析。
2.4塑性铰指定
假定塑性变形不发生在框体构件当中，均发生在生成的塑性铰中，考虑采用离散的塑性铰来模拟钢框架的塑性性能。塑性铰种类繁多，常见的有轴力铰、弯矩铰、剪力铰等。塑性铰类型的选定应当根据实际情况，例如框架梁中的塑性铰可以选择玩弯矩铰进行模拟，而支撑中的塑性铰可以使用轴力铰进行模拟，综上所述，结构构件的受力状态对于塑性铰的选定至关重要。
相对距离的计算公式：
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通常，可采用构造等其他措施防止梁柱重叠区域出现塑性铰，因此塑性铰布置在可能发生塑性变形的梁柱重叠区域之外。这个位置可以根据梁和柱的横截面尺寸来计算[11]。本文给定相对距离0.1。但在现实项目中，塑性铰发生的实际位置需要严格参考构件截面尺寸。
模拟过程中的具体操作步骤为：铰类型选择From Table In FEMA 356，选择的自由度为3，选择“主要”分量类型，点击“确定”。
2.5静力非线性工况定义
实际情况中，建筑物在承受地震荷载的同时也一定承担着建筑物本身的重量，故进行模拟时应同时考虑其自身竖向荷载，通常我们用重力荷载为竖向荷载进行赋值。
（1）竖向荷载非线性工况定义
竖向荷载非线性工况定义的具体操作步骤为：“定义”，“荷载工况”，添加“新荷载工况”，工况的命名可由操作者根据工程自行定义，本模型选择非线性类型和“无应力状态”刚度，然后施加数值分别为1倍和0.5倍恒荷载和活荷载，“确定”。
（2）Pushover工况加载模式
在施加的荷载区域，比例系数、加载方式、加载名称分别选择“1” “MODE”和“1”。
2.6运行分析
点击分析，选择设置分析，此处考虑到钢框架的安全性及抗倾覆性，应当勾选全部有效自由度，完成勾选后点击“确定”。
最后运行工况，等待程序自动分析完毕，即可得模型的抗震性能。
3结论
本文针对多层矩形钢框架结构在地震荷载作用下的变形特性，分析其结构的整体破坏失效的模式与准则，并利用层层递进的方式规范化三维建模软件各项流程，规范选取每个建模过程的参数选择，为准确模拟钢框架结构在地震作用下的结构变形与内力变化做好铺垫，也为同类型项目的模拟工作作出良好的示范作用。
参考文献
[1] 白久林. 结构失效模式分析及优化初探[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.
[2] 陈国兴. 岩土地震工程学[M]. 北京：科学出版社. 2007:989-995.
[3] 黄冀卓. 钢框架体系优化设计研究[D]. 上海:同济大学,2006.
[4] 刘春明. 钢筋混凝土框架结构倒塌分析[D]. 北京:清华大学,1991.
[5] 欧进萍,段宇博. 高层建筑结构的抗震可靠度分析与优化设计[J]. 地震工程与工程振动, 1995,15(1):1-13.
[6] 彭帅. 框架钢结构的研究及优化设计[D]. 武汉:武汉理工大学,2011.
[7] 杨乐. 钢框架结构地震失效模式与整体抗震能力分析[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2013.
[8] 陈德润. 框架钢结构的研究及优化设计[J]. 广东科技, 2014.23(18):134-135.
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[11] 黄兴,石文龙,叶志明. 梁柱连接组合节点弯矩-转角关系研究[J]. 建筑钢结构进展, 2010.12(2):13-22.