ABAQUS在抗震性能分析中的應(yīng)用

摘 要：空間框架結(jié)構(gòu)整體性、剛度較好，仍廣泛應(yīng)用于我國(guó)大部分地區(qū)。但即使嚴(yán)格執(zhí)行抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的空間框架結(jié)構(gòu)也可能發(fā)生不同程度的倒塌破壞，因此其抗震性能是保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的重要指標(biāo)。本文主要簡(jiǎn)述ABAQUS有限元分析軟件對(duì)地震荷載下的空間框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析的優(yōu)勢(shì)及意義。

關(guān)鍵詞：抗震理論；abaqus分析優(yōu)勢(shì)；意義

一、抗震理論的發(fā)展

早期抗震工程研究主要側(cè)重于如何減少巨大地震下的建筑物倒塌和人員傷亡，基于承載力和構(gòu)造保證延性的傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)方法并不完善，已不能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的要求。由此引起了各國(guó)工程界對(duì)現(xiàn)有抗震設(shè)計(jì)思想和方法進(jìn)行深刻的反思，迫使工程人員尋求更加完善的設(shè)計(jì)思想，設(shè)工程結(jié)構(gòu)在各種可能遇到的地震作用下的反應(yīng)和損傷狀態(tài)控制在設(shè)計(jì)預(yù)期要求的范圍內(nèi)。不僅確保生命安全，而且確保經(jīng)濟(jì)損失最少。我國(guó)抗震規(guī)范（GB50011-2010）采用兩階段的抗震設(shè)計(jì)思想：第一階段，對(duì)于小震和中震作用下的一般結(jié)構(gòu)采用彈性分析方法計(jì)算構(gòu)件截面及配筋；第二階段，對(duì)于特殊結(jié)構(gòu)（如超限高層結(jié)構(gòu)）需使用彈塑性分析方法進(jìn)行罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)的損傷和抗倒塌能力驗(yàn)算。目前，結(jié)構(gòu)彈塑性分析的方法有兩種，分別為靜力彈塑性分析和動(dòng)力彈塑性分析。靜力彈塑性分析又稱靜力推覆分析或Pushover分析，它是一種簡(jiǎn)便易行，能夠在一定程度上反映結(jié)構(gòu)彈塑性性能的方法。動(dòng)力彈塑性分析是利用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程和構(gòu)件彈塑性恢復(fù)力模型，采用逐步積分技術(shù)獲得各時(shí)刻下結(jié)構(gòu)各質(zhì)點(diǎn)和構(gòu)件地震響應(yīng)的方法。其中靜力彈塑性分析理論得到了較多的完善和發(fā)展，雖然較動(dòng)力彈塑性理論有就較多的缺陷，但它已成為了一種完善的方法。而使用動(dòng)力彈塑性理論分析具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）可以獲得整個(gè)地震過程中各時(shí)刻結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)；（2）對(duì)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化假設(shè)較少，可以完整、真實(shí)、準(zhǔn)確地反應(yīng)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)。無論是靜力彈塑性理論還是動(dòng)力彈塑性理論，應(yīng)用有限元分析更為簡(jiǎn)便，得到的結(jié)果也更能接近結(jié)構(gòu)受荷時(shí)的真實(shí)內(nèi)力分布狀況。

二、ABAQUS分析的優(yōu)勢(shì)

ABAQUS由美國(guó)HKS公司研發(fā)，它作為一種強(qiáng)大的有限元分析軟件，從簡(jiǎn)單的線彈性問題到復(fù)雜的幾何非線性問題均獲得了廣泛應(yīng)用。ABAQUS包含了豐富分單元庫和材料庫，能夠模擬各種材料受力和變形行為。在ABAQUS中，大量的復(fù)雜問題可以通過選項(xiàng)塊的不同組合很容易的模擬出來。在大部分模擬中，甚至高度非線性問題，用戶只需提供一些工程數(shù)據(jù)，像結(jié)構(gòu)的幾何形狀、材料性質(zhì)、邊界條件及載荷工況。在一個(gè)非線性分析中，ABAQUS會(huì)自動(dòng)選擇相應(yīng)荷載增量和收斂速度，從而能夠更好地控制數(shù)值計(jì)算結(jié)果。由于ABAQUS優(yōu)秀的分析能力和模擬復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性，使得ABAQUS在各國(guó)工業(yè)和研究中被廣泛應(yīng)用。

在我國(guó)，蔣航軍、王偉鳳等人使用ABAQUS對(duì)新華日?qǐng)?bào)社超限結(jié)構(gòu)進(jìn)行了罕遇地震作用下的非線性發(fā)展全過程分析，詳細(xì)得到了該結(jié)構(gòu)混凝土塑性損傷的發(fā)展過程，找出了結(jié)構(gòu)薄弱部位，針對(duì)軟件分析的結(jié)果，具體給出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的改進(jìn)建議，取得了良好的效果。汪大綏、李志山等人對(duì)如何在ABAQUS中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動(dòng)力彈塑性分析作了詳細(xì)的介紹。他們對(duì)如何在ABAQUS中為結(jié)構(gòu)各構(gòu)件選擇有限單元，選擇何種材料模型模擬混凝土彈塑性行為，怎樣簡(jiǎn)化ABAQUS建模工作等問題上做了十分有益的探討，并對(duì)一棟230米高的復(fù)雜SRC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了ABAQUS動(dòng)力彈塑性分析，結(jié)果證明，基于結(jié)構(gòu)材料的有限元模型能較精準(zhǔn)地反映結(jié)構(gòu)的抗震性能。

ABAQUS軟件在求解非線性問題時(shí)具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，可以解決其它軟件不收斂的非線性問題，其它軟件也收斂的非線性問題，ABAQUS軟件的計(jì)算收斂速度較快。該軟件進(jìn)行靜力推覆和動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析，對(duì)結(jié)構(gòu)的彈塑性有較為準(zhǔn)確的模擬，結(jié)果能夠反應(yīng)結(jié)構(gòu)在地震時(shí)的性能。基于ABAQUS中低層空間框架結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，更加貼合實(shí)際工程的情況，在地震荷載下考慮各種隨機(jī)性因素影響，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震分析。因此基于ABAQUS空間框架結(jié)構(gòu)的抗震性能分析，充分考慮結(jié)構(gòu)在地震荷載下各種隨機(jī)性因素，能較為充分地模擬真實(shí)地震對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的影響，具有良好的現(xiàn)實(shí)意義。

ABAQUS在采用非線性動(dòng)力時(shí)程分析方法分析結(jié)構(gòu)抗震性能方面有良好的分析能力。本項(xiàng)目利用擬蒙特卡羅模擬考慮結(jié)構(gòu)隨機(jī)性的影響，使用ABAQUS軟件對(duì)鋼筋混凝土空間框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性分析，對(duì)空間框架結(jié)構(gòu)施加地震荷載，得出其在不同因素影響下的失效模式，分析結(jié)構(gòu)的抗震性能，對(duì)影響因素進(jìn)行定量化分析。

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作者簡(jiǎn)介：

郭開發(fā)（1996—），男，漢族，河北省石家莊市人，在讀本科；單位：河北大學(xué)建筑工程學(xué)院土木工程專業(yè)，研究方向：靜力觸探試驗(yàn)。

（作者單位：河北大學(xué)）