中柱失效工况下钢框架结构倒塌全过程分析

文/张号浩 舒赣平 潘 睿

本文选取钢框架结构为研究对象，考虑了材料的损伤性能以及组合楼板中各组件之间的复杂接触行为，采用ABAQUS建立了压型钢板组合楼板钢框架结构精细化有限元模型；同时以中柱失效工况为例，对其进行了全过程倒塌分析，揭示了钢框架结构抗连续倒塌受力机理，分析了各部件在倒塌过程中的抗力机制。

1 ABAQUS有限元模型建立

本文将结合压型钢板组合楼板梁板子结构的壳-实体有限元模型对ABAQUS有限元建模方法、非线性材料属性选取、接触条件建立和约束边界处理等问题进行详细介绍。

压型钢板采用S4R单元，为四节点四边形有限薄膜应变线性减缩积分壳单元，适用于有限薄膜应变下的薄壳和厚壳问题。混凝土楼板采用C3D8R单元，为八节点线性减缩积分实体单元，能很好地模拟扭曲变形。楼板中的钢筋采用T3D2单元，为两节点桁架单元。

结构模型中所包含部件有钢梁、钢柱、栓钉、压型钢板、钢筋和混凝土，在ABAQUS有限元软件中，需要合理地建立各部件之间的连接关系，使其形成一个结构整体。有限元中各部件的连接关系示意图如图1所示。

本文采用适用于ABAQUS/Explicit模块的Concrete Damage Plasticity（混凝土损伤塑性模型）混凝土本构模型来模拟混凝土的力学行为，通过两个独立的单轴损伤变量dt和dc控制混凝土的损伤性能，见式（1）～（2）。

图1 各部件之间的连接关系图

钢材的应力—应变关系近似采用三折线模型表示；钢材的弹性模量E0=2.25×105MPa，泊松比ν=0.3，应力 应 变 曲 线 上σy=393.75MPa，εy1=0.0018，εy2=0.004；εu=0.158，σu=492.19MPa；通过 Ductile Damage设置来实现延性金属的受拉损伤失效。

通过以上设置，内部中柱失效工况下钢框架结构梁-板子结构模型图如图2所示。

2 钢框架梁-板子结构倒塌全过程分析

图2 中柱失效-钢框架梁-板子结构模型

中柱失效工况下，对钢框架梁-板子结构进行倒塌全过程分析，得出结构失效柱头竖向位移随外荷载的全过程变化曲线，如图3所示。本文从结构抗力机制角度将荷载-位移全过程划分为两个阶段，组合结构的抗弯机制和梁的悬链线效应以及板的拉膜效应机制。图中可以捕捉到两个阶段的荷载峰值点，第一承载力峰值点（D1，F1）；第二承载力峰值点（D2，F2）。

图3 荷载-位移曲线

通过ABAQUS显示动力积分，梁板子结构的极限竖向位移云图见图4；钢梁和钢板极限应力云图见图5和图6。

从荷载位移曲线图中可以看出，Step Time=0.15时，外荷载F1为322.3kN，竖向位移D1为12.5mm，结构开始出现刚度退化；Step Time=0.675时，外荷载F2为1066.3kN，竖向位移D2为330.4mm，达到结构最大承载力；极值点在Step Time=0.735时，外荷载为910.7kN，结构竖向位移达到431.6mm；在Step Time=0.765时，结构发生破坏坍塌，破坏点极限位移为563.8mm，如位移云图4所示。此时，与失效柱相连钢梁的最大转角为0.21rad，大于DoD2016中规定的梁端转角值0.2rad，满足规范抗连续倒塌性能的要求。

图4 极限竖向位移云图

图5 钢梁极限应力云图

图6 压型钢板极限应力云图

从图5中可以看出，梁柱节点区域钢梁的断裂破坏决定了结构的极限状态。由于压型钢板组合楼板具有明显的各向异性受力特征，所以图6中极限状态下压型钢板约束端部的失效区域主要分布在与钢梁接触的强轴方向。为分析压型钢板的破坏过程，选取图3中2个关键受力时刻的应力云图进行对比说明。