空腹桁架结构抗震性能有限元分析

关键词：腹板桁架空腹框架

空腹桁架钢框架结构是在钢框架的基础上, 取消框架中间的柱子, 并在框架的隔层增设腹板柱形成空腹桁架与钢框架组合的结构体系。由于在钢框架中增设腹板柱形成空腹桁架结构, 可进一步增强结构的侧向刚度和竖向刚度, 同时提高结构的整体工作性能。空腹桁架钢框架结构可以广泛应用于多、高层建筑结构体系中, 因此对其进行抗震性能研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

本文通过使用有限元程序ANSYS对大量算例进行分析, 探讨各种因素对空腹桁架结构抗震性能的影响, 总结出一系列规律, 对后续的研究工作奠定了良好的基础。

为了简化计算, 本文在分析中只考虑试件承受竖向均布荷载和水平均布荷载的作用。影响空腹桁架结构抗震性能的因素很多, 本文主要分析下列两个因素的影响。

(1) 在层高相同的情况下, 改变桁架的跨度, 即考虑高跨比对空腹桁架结构抗震性能的影响; (2) 在弦梁刚度不变的情况下, 改变腹板柱的刚度, 即腹板柱与弦梁线刚度之比对空腹桁架结构抗震性能的影响。

1 高跨比对空腹桁架结构抗震性能的影响

为了分析高跨比对空腹桁架结构抗震性能的影响, 我们对桁架层节间数为5, 层高、构件的截面尺寸以及结构所承受的荷载相同的情况下, 改变桁架层的跨度, 做了6个算例。这6个算例的跨度分别为12.5m, 1 5 m, 1 7.5 m, 2 0 m, 2 2.5 m, 2 5 m即高跨比分别为0.24, 0.20, 0.17, 0.15, 0.13, 0.12。柱子截面尺寸为H600×500×18×28, 梁截面尺寸为H500×400×16×20, 腹板柱截面尺寸为H400×300×11×18, 每层桁架弦梁上施加的竖向均布线荷载为q=35kN/m, 柱上施加倒三角形的侧向均布线荷载。

在循环荷载作用下, 使用有限元程序AN SY S进行分析, 得出各试件的滞回曲线, 然后根据绘出各阶段试件的耗能、延性、刚度退化变化曲线。

通过观察, 可以发现滞回曲线大部分比较饱满。随着高跨比的改变, 循环的次数不同, 并且随着高跨比的减小, 循环的次数减少;尤其是高跨比小于0.15时, 试件很快破坏, 退出循环。随着高跨比的减小, 试件的屈服位移Δy逐渐增大, 屈服荷载Py逐渐减小, 极限位移Δu、极限承载力Pu减小;随着高跨比的减小, 相邻高跨比试件的Δu、Pu减小的幅度越来越大。通过分析还可以知道高跨比为0.24时, 破坏时最大应力出现的位置为梁的端部;高跨比为0.20、0.17、0.15时, 破坏时最大应力出现的位置在腹板柱的端部;随着高跨比的进一步减小, 破坏时最大应力出现的位置转移到梁的端部。当高跨比为0.20、0.17、0.15时, 破坏时最大应力出现的位置在腹板柱的端部, 这样有利于结构内力的重分布, 可以充分发挥结构的极限承载力, 提高结构的安全储备。

在循环次数相同时, 等效粘滞阻尼系数hc随着高跨比的减小而减小, 但是可以看出当高跨比为0.20时的hc最大。延性系数也是随着高跨比的减小而减小;当高跨比小于0.17时, 减小的幅度较大。在循环次数相同时, 割线刚度Ki的变化没有明显的规律;但是试件屈服后, 每个试件的割线刚度都在减小, 并且随着加载位移的增加, 刚度降低的幅度加大;高跨比为0.20时, 在循环了±4Δy之后, 与其它高跨比的试件相比, 割线刚度最大, 并且降低幅度的最小。

2 腹板柱与弦梁线刚度之比对空腹式交错桁架结构抗震性能的影响

在前面的分析中, 结构构件的刚度都是不变的, 在本节中将通过改变腹板柱的截面, 来改变腹板柱与弦梁的线刚度比, 分析不同的线刚度比对空腹桁架抗震性能的影响。算例的层数、层高、跨度、柱和弦梁的截面尺寸以及结构所承受的荷载均上节算例中的相同。线刚度中弦梁的长度为节间的长度, 腹杆的截面如表1所示。

通过观察, 可以发现滞回曲线都比较饱满。随着线刚度比的改变, 循环的次数也不同, 并且随着线刚度比的增大, 循环次数有减少的趋势, 但循环次数相差的不多。随着线刚度比的减小, 试件的屈服位移Δy逐渐增大, 屈服荷载Py逐渐减小。试件的极限位移Δu变化规律不太明显, 在线刚度比为0.8时Δu最大;极限承载力Pu随着线刚度比的增大而增大, 并且Pu也在线刚度比为0.8时是最大。还可以知道线刚度比小于0.8时, 破坏时最大应力出现的位置为腹板柱的端部;当线刚度比大于0.8时, 破坏时最大应力出现的位置为柱脚或梁的端部, 这样不利于结构内力的重分布, 不能充分发挥结构的极限承载力, 可见, 线刚度比不宜大于0.8。

在循环次数相同的情况下, 线刚度比为0.5~0.7时, 等效粘滞阻尼系数hc的值比较大, 构件的耗能性能较好。在线刚度比大于0.8时, 延性系数变化规律不明显;但是当线刚度比小于0.8时, 延性系数大体上是随着线刚度比的减小而减少;在线刚度比为0.8时, 延性系数最大, 比平均值大16.71%, 延性性能最好。在循环次数相同时, 割线刚度Ki随着刚度比的减小而减小;在试件屈服后, 试件进入弹塑性阶段, 每一级加载都具有较大的残余变形, 每个试件的Ki都在减小, 并且随着加载位移的增加, 刚度降低的幅度加大, 通过比较可知线刚度比为0.5~0.7时与其它试件相比, Ki降低的幅度最小。

3 结语

通过以上的分析, 可以看出: (1) 在一定的层高下, 改变跨度, 考虑高跨比对空腹桁架结构抗震性能的影响时我们可以看出:高跨比为0.20时空腹桁架结构抗震性能最为优越, 且高跨比不宜小于0.15。 (2) 在弦梁刚度不变的情况下, 改变腹板柱的刚度, 考虑腹板柱与弦梁线刚度之比对空腹桁架结构抗震性能的影响时我们可以看出:线刚度比为0.5~0.7时空腹桁架结构抗震性能较为优越, 且线刚度比不宜大于0.8。

摘要：本文主要探讨空腹桁架结构抗震性能的影响因素, 总结出一系列规律, 对后续的研究工作奠定良好的基础。

关键词：空腹桁架结构,抗震性能,腹板柱