專利名稱：鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法及應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種建筑物抗震性能評估方法及應用，尤其涉及一種鋼管混凝土建筑 物抗震性能評估方法及應用。
背景技術：
目前建筑抗震設計要求“小震不壞，中震可修，大震不倒”，針對具體的結構設計， 要求高層建筑物的抗震計算主要是在多遇地震作用下，按反應譜理論計算地震作用，用彈 性方法計算內力和位移，并用極限狀態方法設計構件；對于重要建筑或有特殊要求時，要用 直接動力方法——時程分析方法補充計算，并進行大震作用下的變形驗算。正對結構抗震計算可分為靜力方法和動力方法。其中，靜力方法主要是基于反應 譜理論而建立的等效分析方法，如針對多遇地震彈性分析的振型分解法、針對大震的靜力 彈塑性分析方法等。動力方法則把地震作用直接施加于結構上，采用逐步積分的方法求解 結構在地震作用下的瞬態內力和變形情況，如彈性和彈塑性動力時程分析方法等。其中，彈 塑性動力時程分析方法能得到結構從彈性到彈塑性，逐漸開裂、損壞直至倒塌的全過程，從 而可以通過控制破壞程度的條件，進而尋找防止結構倒塌的措施，是目前較為常用的計算 方法。彈塑性動力時程分析方法是通過將地震波按時段進行數值化后，輸入結構體系的 振動微分方程，采用逐步積分法進行結構彈塑性動力反應分析，計算出結構在整個地震時 域中的振動狀態全過程，給出各個時刻各桿件的內力和變形，以及各桿件出現塑性鉸的順 序，反映地面運動的方向、特性及持續作用的影響。它從強度和變形兩個方面來檢驗結構的 安全和抗震可靠度，并判明結構屈服機制和類型。目前，鋼管混凝土建筑物越來越廣泛應用，主要應用于輸電，變電塔工程以及一些 高層和超高層的結構中。但對于鋼管混凝土建筑物并沒有應用到時程分析進行高層彈塑性 抗震性能評估，導致抗震性能分析不足。針對高層鋼管混凝土彈塑性抗震計算，為了能真實的表現鋼管和混凝土材料的不 同特性，以及它們的套箍作用，在建模分析時一般采用實體單元，由于整體分析時構件數很 多，材料模型復雜，同時荷載具有動力效應，造成計算時間很長，最終很難實現。如果采用梁 單元，在一般程序中只能針對單一材料可以使用梁單元，而鋼管混凝土由兩種材料組成，不 適用，而且很多軟件中沒有能適用于空間梁單元動力分析的混凝土纖維本構，最終也無法 有效的進行分析。
發明內容
本發明解決的技術問題是克服現有技術中在鋼管混凝土建筑物中未采用彈塑性 動力時程分析方法對鋼管混凝土建筑物進行抗震性能分析，抗震性能分析效果差的技術問題。本發明的技術方案是提供一種鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法，所述建筑物支撐構件由鋼管混凝土形成，包括如下步驟建立鋼管混凝土建筑物的空間纖維梁有限元模型將建筑物中鋼管混凝土部分的 鋼管和混凝土都采用梁單元建模，根據鋼管混凝土的幾何尺寸設置鋼管和混凝土的截面， 根據建筑物的空間位置將鋼管和混凝土單元在有限元模型中進行組裝，引入并賦予建筑物 模型中鋼管的材構模型和混凝土的材構模型，所述本構模型采用考慮套箍作用和地震循環 荷載下材料特性的纖維彈塑性損傷模型，設置各個鋼管混凝土構件中鋼材和混凝土的藕合 條件，通過在有限元軟件上進行開發引入。采用軟件對所述有限元模型進行計算設定建筑物模型結構的邊界條件并施加地 震作用進行動力彈性時程分析和彈塑性時程分析，從而獲取建筑物在地震激勵下的最大層 間位移角。抗震性能評估通過獲取的建筑物最大層間位移角值，按照《建筑抗震設計規范》 中對鋼管混凝土結構要求的最大層間位移角限值要求評估建筑物的抗震性能。設計建筑物的抗震措施根據建筑物抗震性能的評估結果設計建筑物的抗震措 施。本發明的進一步技術方案是在建立鋼管混凝土建筑物的有限元模型步驟中，在 采用梁單元建模時，將梁柱簡化為梁單元，將樓板等簡化為殼單元，采用纖維梁的方法將實 體材料簡化為一維的纖維材料，并考慮套箍作用的影響，同時考慮材料在往復作用下的損 傷和斷裂行為，通過軟件進行開發引入。本發明的進一步技術方案是在建立鋼管混凝土建筑物的有限元模型步驟中，定 義建筑物模型中鋼管和混凝土單元直接的約束條件為完全耦合。本發明的進一步技術方案是在采用軟件對所述有限元模型進行計算步驟中，還 包括對建筑物模型劃分網格，設定阻力系數及計算時間。本發明的進一步技術方案是在采用軟件對所述有限元模型進行計算步驟中，所 述施加地震作用的方法包括施加荷載及地震波。本發明的進一步技術方案是在采用軟件對所述有限元模型進行計算步驟中，所 述施加荷載包括壓力荷載及重力荷載。本發明的進一步技術方案是在建立鋼管混凝土建筑物的有限元模型步驟中，還 包括在建筑物鋼管混凝土柱與梁連接節點處建立連接器單元，在節點處設置局部坐標使連 接器單元符合鋼管混凝土建筑物的實際工作情況。本發明的進一步技術方案是在建立鋼管混凝土建筑物的有限元模型步驟中，節 點剛度的取值小于25倍的梁線剛度。本發明的技術方案是將鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法應用在采用鋼管混 凝土建筑物的民用建筑或工業建筑上。本發明的技術效果是本發明提供一種鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法，通 過建立鋼管混凝土建筑物的空間纖維梁彈塑性有限元模型，然后采用軟件對所述有限元模 型進行計算，通過獲取的建筑物最大層間位移角，對鋼管混凝土結構要求的最大層間位移 角限值要求評估建筑物的抗震性能，根據建筑物抗震性能的評估結果設計建筑物的抗震措 施。
圖1為本發明流程圖。圖2為本發明的鋼材單軸滯回本構模型。圖3為本發明的考慮緊箍作用的約束混凝土本構模型。
具體實施例方式下面結合具體實施例，對本發明技術方案進一步說明。如圖1所示，本發明的
具體實施例方式提供一種鋼管混凝土建筑物抗震性能評估 方法，所述建筑物支撐構件由鋼管混凝土形成，包括如下步驟步驟100 建立鋼管混凝土建筑物的空間纖維梁有限元模型首先，將建筑物中鋼 管混凝土部分的鋼管和混凝土都采用梁單元建模，即建立桿系和殼模型，而桿系和殼模型 是將梁柱簡化為梁單元，將樓板等簡化為殼單元。然后，根據鋼管混凝土的幾何尺寸設置 鋼管和混凝土的截面，根據建筑物的空間位置將鋼管和混凝土單元在有限元模型中進行組 裝，引入并賦予建筑物模型中鋼管的本構模型和混凝土的本構模型，所述本構模型采用考 慮套箍作用和地震循環荷載下材料特性的纖維彈塑性損傷模型，設置各個鋼管混凝土構件 中鋼材和混凝土的藕合條件，通過在有限元軟件上進行開發引入。具體而言，如圖2所示，本發明鋼材的本構模型中，取鋼材單軸滯回本構模型來建 立鋼管混凝土中的鋼材本構關系。開發的鋼材模型為Menegotto-Pinto邊界面模型，可以 考慮鋼材等向強化，同時可以考慮滯回加載過程中的包辛格效應。圖2中，在本模型中，受拉為正，受壓為負，需要定義的參數有10個屈服強度fy ； 初始彈性模型Etl ；強化比例系數b = Et/E0 ；初始彈塑性轉化控制參數Rtl，取值一般大于15， 沒有特別需求通常取20 ；彈塑性轉化控制參數計算公式中的系數ai和a2，沒有特別需求通 tMa1 = O. 925, a2 = 0. 15 ；受壓強化計算系數A1, A2，如果不考慮強化，通常A1 = OjA2 = 1 ； 受拉強化計算系數A3, A4，如果不考慮強化，通常A3 = 0，A3= L·由圖2的滯回過程中的應力-應變關系可知，在正反加載的過程中，應力-應變 的關系主要由兩個點控制，第i次起始點應變應力氏(ε ρ or)和轉折點應變應力Od ε。， σ。)，i為模型循環的次數，i = 1時，R^er, or)為圖形的原點，O1Gtl, 0(|)中的σ。= fy，其中，fy表示屈服強度。受拉曲線對應的曲線方程如下 其中， 其中，ε表示應變，σ表示應力，Ri ( ε r, σ r)表示第i次起始點應變應力 、a2 為彈塑性轉化控制參數，沒有特別需求通常 =0. 925，a2 = 0. 15 ；b = Et/E0, b表示強化 比例系數。ξ (i)為i次曲線轉折點和歷史最大受壓(或受拉)點的水平距離，當曲線有壓轉 向為拉時，為歷史最大受拉點，當曲線受拉轉向為受壓時，為歷史最大受壓點；初始最大受 壓點和受拉點位對應屈服點，并且ξ (1) =0。
強化準則受壓等向強化時，受壓屈服強度修正系數為k。，
強化后的受壓屈服強度為f ‘ yc = k。fy受拉等向強化時，受拉屈服應力修正系數為kt
強化后的受拉屈服強度為f ‘ yt = ktfy其中，ε_，ε min分別為歷史最大應變和最小應變，f' yc, f' yt分別為強化后的 受壓屈服強度和受拉屈服強度。考慮緊箍作用的約束混凝土本構模型如圖3所示，對于空心鋼管混凝土中的混凝土本構關系采用modified Kent-Park model模型。在本模型中，受拉為正，受壓為負，需要定義的參數有7個受壓峰值應力應變坐標(ε。。，fcc)，受壓壓碎處應力應變坐標(ε cu, fcu)，壓碎處彈性韋 拉極限ft，受拉軟化階段模量Et。考慮緊箍作用的約束混凝土本構模型的公式描述
設材料初始受壓彈性模量
，受拉峰值應變
受拉極限應變為 考慮緊箍作用的約束混凝土本構模型包絡曲線公式為 受拉時 受壓時， 如圖3所示，滯回過程規則受拉區為線性回到原點；受壓區再次加載曲線3為過點R，斜率為E的直線，其中，點P為過原點斜率為Etl 直線和過壓碎點斜率為α Etl直線的交點。斜率E根據包絡線上點(σ。，ε。)和R點來確定。 卸載曲線1為過點(ο。，ε。)斜率為Etl的直線，曲線2為過曲線1和X軸交點，斜率為Ε/2 的直線。對于鋼管混凝土結構，需要考慮套箍作用，根據K. Α. S. Susantha的模型，對應7個 參數的取值規則如下考慮套管作用的混凝土(即約束混凝土)受壓極值點為(ε。。，f。。)，計算公式如其中\表示無混凝土填充時的鋼管泊松比，
D表示鋼管的外直徑；
t表示鋼管的壁厚；
fy表示鋼材的屈服強度。
對于四邊形和八邊形截面
四邊形
Jy
八邊形
Jy
其中，R表示鋼管寬厚比參數，取值如下；
f。表示混凝土的棱柱體抗壓強度； fy表示鋼材的屈服強度； b表示多邊形鋼管一條邊的長度； t表示鋼管的壁厚；
其中，f。。表示約束混凝土的抗壓強度； ε。。表示約束混凝土的抗壓強度對應的應變； f。表示混凝土的棱柱體抗壓強度； ε。表示混凝土強度對應的應變； m表示經驗系數，取m = 4;
frp表示徑向最大側壓力，對于多變形為等效最大側壓力，取值如下 對于圓形截面
U-喊Λ ⑸
其中，Ve表示有混凝土填充時的鋼管泊松比，取值如下。
ν表示鋼材的泊松比，可取，ν = 0. 3 ；
Es表示鋼材的彈性模量；可取，Es = 2. 06 X IO5MPa0
考慮套管作用的混凝土(約束混凝土)壓碎點(ε。u，f。u)，計算公式如下
其中，f。。表示約束混凝土的抗壓強度； ε。。表示約束混凝土的抗壓強度對應的應變； f。u表示約束混凝土的壓碎處的強度； ε。u表示混凝土強度對應的應變； Z表示混凝土本構下降段的切線模型，即斜率的絕對值。 對于圓形截面，Z的計算公式為
其中，Rt表示鋼管徑厚比參數，取值如下；
fy表示鋼材的屈服強度；
f。表示混凝土的棱柱體抗壓強度；
D表示圓鋼管的直徑；
t表示鋼管的壁厚；
ν表示鋼材的泊松比，可取，ν = 0. 3 ；
Es表示鋼材的彈性模量；可取，Es = 2. 06 X IO5MPa0
對于四邊形，Z的計算公式為
其中，R表示鋼管寬厚比參數，取值見上面公式； f。表示混凝土的棱柱體抗壓強度； fy表示鋼材的屈服強度。
限制條件和說明、<ecc+^· ,BP fcu只能在受壓區
對于八邊形，Z的計算公式為
其中，R表示鋼管寬厚比參數，取值見上面公式； f。表示混凝土的棱柱體抗壓強度； fy表示鋼材的屈服強度。 限制條件和說明-.Scu <ecc，即、只能在受壓區。通過上面的公式已經可以確定4個參數，另外3個參數分別為壓碎處彈性模擬的 損失系數α。受拉極限ft，受拉軟化階段模量Et。由于受拉部分影響較小，所以可以取 ft = f。。/10，Et = EcZlO,或是更小的值。α的取值為0< α彡1，可以根據實際情況調整， 通常取0. 1。在引入并賦予建筑物模型中鋼管的本構模型和混凝土的本構模型，通過設置各個 鋼管混凝土構件中鋼材和混凝土的藕合條件，所述本構模型采用考慮套箍作用和地震循環 荷載下材料特性的纖維彈塑性損傷模型即建立起來了。本發明的優選實施方式是，在本步驟中，還包括在建筑物鋼管混凝土柱與梁連接 節點處建立連接器單元，在節點處設置局部坐標使連接器單元符合鋼管混凝土建筑物的實 際工作情況。這里所述局部坐標是指對連接器單元設定坐標方向，使連接器單元與節點實 際工作時的轉動方向一致。
其次，在構建了材料模型之后，再構建鋼管混凝土建筑物的幾何模型。包括根據 鋼管混凝土的幾何尺寸設置鋼管和混凝土的截面，然后再根據建筑物的空間位置將鋼管和 混凝土單元在有限元模型中進行組裝。步驟200 采用軟件對所述有限元模型進行計算，即設定建筑物模型結構的邊界 條件并施加地震作用進行動力彈性時程分析和彈塑性時程分析，對于動力彈性時程分析， 鋼材的本構模型只取相關的彈性部分，即，鋼材塑性強化系數取1，即公式(
對于彈塑性時程分析，鋼材的本構模型中，公式(1)中及=氏1^y由此，再根據動力
里程分析方法獲取建筑物在地震激勵下的變形情況，動力時程分析法的基本動力方程 其中[Μ]表示質量矩陣，一般采用集中質量陣，將單元的質量集中到節點上；[C]表示阻尼矩陣；[K]表示剛度矩陣，與靜力分析時使用的剛度陣相同；{χ}表示位移；表示發生位移變化的速度；·(均表示發生位移變化的加速度向量；表示地面運動加速度向量。根據動力里程分析方法獲取建筑物在地震激勵下每一個點的位移，從而得到每個 點的最大層間位移角，位移除以層高得到層間位移角值。本發明的具體實施方式
為，采用在建模軟件中，先設定建筑物模型結構的邊界條 件，建立的鋼管和混凝土約束條件，本發明中，在節點處建立連接器單元，在節點處定義局 部坐標使連接器單元符合實際工作情況。對于節點剛度的取值為了模擬節點半剛性特性， 不會直接使用剛性連接，而是以歐洲鋼結構規范中對節點半剛性的分類原則為準，即節點 的初始剛度小于25倍的梁線剛度，即可認為節點為半剛性節點，再進行加載分析和地震分 析。步驟300 抗震性能評估，即通過獲取的建筑物最大層間位移角值，按照《建筑抗 震設計規范》中對鋼管混凝土結構要求的最大層間位移角限值要求評估建筑物的抗震性 能。我國《建筑抗震設計規范》GB 50011-2001中對不同結構在多遇地震和罕遇地震條 件下的層間位移角作了要求，在多遇地震的條件產生的彈性層間位移角不得超過表1中的數值。
表1 抗震規范對彈性層間位移角的限值 在罕遇地震的條件下產生的彈塑性層間位移角不得超過表2中的數值。表2 抗震規范對彈塑性層間位移角的限值 具體實施過程中，先選取支座處的節點施加約束，約束地震激勵方向外的自由度。 再定義荷載，所述施加荷載包括壓力荷載及重力荷載。定義荷載時在梁上施加力，同時設置 重力分析步和地震波分析步，重力分析步設置5秒，開始的1秒完成加載，后面的預留的時 間是為了使結構的震蕩逐漸減弱。最后，在地震波分析步中輸入地震波，根據將獲取的建筑 物動力響應結果根據我國《建筑抗震設計規范》GB 50011-2001評估建筑物的抗震性能。步驟400 設計建筑物的抗震措施，即根據建筑物抗震性能的評估結果設計建筑 物的抗震措施。本發明的優選實施方式中，在建立鋼管混凝土建筑物的有限元模型步驟中，定義 建筑物模型中鋼管和混凝土單元直接的約束條件為完全耦合。在采用軟件對所述有限元模 型進行計算步驟中，還包括對建筑物模型劃分網格，設定阻力系數及計算時間。
本發明中，鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法在采用鋼管混凝土建筑物的民用 建筑或工業建筑上的應用。以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在 不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的 保護范圍。
權利要求
一種鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法，其特征在于，所述建筑物支撐構件由鋼管混凝土形成，包括如下步驟建立鋼管混凝土建筑物的空間纖維梁有限元模型將建筑物中鋼管混凝土部分的鋼管和混凝土都采用梁單元建模，根據鋼管混凝土的幾何尺寸設置鋼管和混凝土的截面，根據建筑物的空間位置將鋼管和混凝土單元在有限元模型中進行組裝，引入并賦予建筑物模型中鋼管的材構模型和混凝土的材構模型，所述本構模型采用考慮套箍作用和地震循環荷載下材料特性的纖維彈塑性損傷模型，設置各個鋼管混凝土構件中鋼材和混凝土的藕合條件，通過在有限元軟件上進行開發引入。采用軟件對所述有限元模型進行計算設定建筑物模型結構的邊界條件并施加地震作用進行動力彈性時程分析和彈塑性時程分析，從而獲取建筑物在地震激勵下的最大層間位移角。抗震性能評估通過獲取的建筑物最大層間位移角值，按照《建筑抗震設計規范》中對鋼管混凝土結構要求的最大層間位移角限值要求評估建筑物的抗震性能。設計建筑物的抗震措施根據建筑物抗震性能的評估結果設計建筑物的抗震措施。
2.根據權利要求1所述鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法，其特征在于，在建立鋼 管混凝土建筑物的有限元模型步驟中，在采用梁單元建模時，將梁柱簡化為梁單元，將樓板 等簡化為殼單元，采用纖維梁的方法將實體材料簡化為一維的纖維材料，并考慮套箍作用 的影響，同時考慮材料在往復作用下的拉壓彈塑性、損傷和斷裂行為，通過軟件進行開發引 入。
3.根據權利要求1所述鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法，其特征在于，在建立鋼 管混凝土建筑物的有限元模型步驟中，定義建筑物模型中鋼管和混凝土單元直接的約束條 件為完全耦合。
4.根據權利要求1所述鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法，其特征在于，在采用軟 件對所述有限元模型進行計算步驟中，還包括對建筑物模型劃分網格，設定阻力系數及計 算時間。
5.根據權利要求1所述鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法，其特征在于，在采用軟 件對所述有限元模型進行計算步驟中，所述施加地震作用的方法包括施加荷載及地震波。
6.根據權利要求5所述鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法，其特征在于，在采用軟 件對所述有限元模型進行計算步驟中，所述施加荷載包括壓力荷載、重力荷載及地震荷載。
7.根據權利要求1所述鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法，其特征在于，在建立鋼 管混凝土建筑物的有限元模型步驟中，還包括在建筑物鋼管混凝土柱與梁連接節點處建立 連接器單元，在節點處設置局部坐標使連接器單元符合鋼管混凝土建筑物的實際工作情 況。
8.根據權利要求7所述鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法，其特征在于，在建立鋼 管混凝土建筑物的有限元模型步驟中，節點剛度的取值小于25倍的梁線剛度。
9.根據上述任一權利要求所述的鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法，其特征在于， 該方法在采用鋼管混凝土建筑物的民用建筑或工業建筑上的應用。
全文摘要
本發明涉及一種鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法，所述建筑物支撐構件由鋼管混凝土形成，包括如下步驟建立鋼管混凝土建筑物的空間纖維梁有限元模型，開發適用于纖維梁分析方法，并考慮套箍作用和地震循環荷載下材料特性的彈塑性損傷本構模型及對應子程序，采用軟件并結合材料子程序對所述有限元模型進行計算，抗震性能評估，設計建筑物的抗震措施。本發明提供一種鋼管混凝土建筑物抗震性能評估方法，通過建立鋼管混凝土建筑物的空間纖維梁有限元模型，并開發適用于纖維梁分析方法，并考慮套箍作用地震循環荷載下材料特性的彈塑性損傷本構模型，然后采用軟件對所述有限元模型進行計算，通過獲取的建筑物最大層間位移角，對鋼管混凝土結構要求的最大層間位移角限值要求評估建筑物的抗震性能，根據建筑物抗震性能的評估結果設計建筑物的抗震措施。
文檔編號E04H9/02GK101881089SQ20101021300
公開日2010年11月10日 申請日期2010年6月29日 優先權日2010年6月29日
發明者于磊, 余敏, 查曉雄 申請人:哈爾濱工業大學深圳研究生院