基于OpenSees的钢框架结构地震动特性分析

龚克

摘 要 本文借助于有限元软件OpenSees计算平台，以钢框架结构为数值模型，建立了理想状态的隔震模型。在隔震模型中，以零长度单元来模拟隔震装置，根据结构场地条件，在地震库中分别选取了数条近断层和远断层地震动信号，通过近远层地震动的对比分析，得出以下结论：隔震结构由于隔震装置的耗能作用，在抗震性能上要优于非隔震结构。隔震结构的抗震优越性随着地震动强度的增加逐渐变得更明。这一实验对发展隔震结构建筑设计思想有一定的参考价值。

关键词 OpenSees;钢框架结构;地震动特性;动力响应

1概述

框架结构是以梁和柱组成的一种承重结构，其中梁和柱之间以铰接或者刚接的方式连接。框架结构在工程中，通过梁和柱的连接组成框架来承担外部的水平荷载和竖向荷载，墙体只是作为填充物存在，并不起承重效果。随着钢铁制造业的发展，钢框架结构的使用范围越来越广泛。

钢筋框架结构在地震作用下，主要受平动、剪切、转动的影响。在强震作用下钢筋框架结构持续受到地震波影响，其构件也受到反复荷载作用，其状态也从线弹性进入非线性，当受到复杂应力作用各项内力也会发生耦合现象，随后某些承载力薄弱的构件将发生剪切、弯曲破坏然后失效退出工作，其外在表征为构件的断裂、变形、位移、转动以及接触一碰撞等现象进而引起整体结构的倒塌破坏。我国学者在钢筋混凝土抗震分析方面已经做了大量的工作，并取到了很可观的研究成果，而对钢框架结构的研究还不够饱满：

2013年宿专青[1]通过对削弱性钢框架建模分析钢框架在装机作用下的力学特性，以及在不同撞击情况下给出针对性的建议。

2014年，閤东东等人[2]基于有限元软件ABAQUS模拟了某塔楼裙房（钢筋混凝土框架结构）在强震作用下的连续倒塌情况，基于模拟纤维梁单元的混凝土和钢筋及楼板钢筋的动力单轴本构用户子程序实现材料失效模拟单元生死，基于混凝土弹塑性损伤本构对钢筋混凝土楼板的刚度削弱及失效进行模拟，采用接触单元考虑倒塌过程中所存在的单元碰撞问题。结果表明，采用以上方法能较好地对钢筋混凝土在地震作用下的连续倒塌过程进行仿真模拟。

本文的主要框架如下：首先介绍了框架结构的建模情况，借助于OpenSees软件计算平台，合理选择钢筋的应力-应变本构关系，建立数值模型，通过非线性动力时程分析，探究了隔震阻尼器的影响作用。

2钢框架结构地震动特性建模

采用OpenSees模拟计算平台，根据相关文献的合理建议，根据研究问题的关注点，对所有梁柱单元都采用空间弹性梁单元（Beam Column Element）模拟，以梁柱单元链接节点，采用零长度单元（Zero-Length Element）模拟阻尼器，并根据有无隔震装置建立了两种地震动数值计算模型。

本文的研究都是基于钢框架结构的分析模型，将作用在结构的荷载简化为恒载2.5kN/m2和活载2.0kN/m2，未考虑实际工程的温度效应，在非隔震数值模型中假定结构与基础之间为刚性连接既不考虑滑移效应。结构阻尼采用阻尼比为0.05的瑞利阻尼模型。

3主结构梁柱单元

空间弹性梁柱单元有6个自由度，其中3个转动3个平动，能够较好的模拟三维框架结构在弹塑性阶段的受力特性。根据截面特性、材料性能等参数，对梁柱单元进行定义，本文选取了Steel02模型考虑了钢筋的应变硬化，由于其通过显函数表达应力应变关系，提高了计算精度并能够较好的模拟Bauschinger效应，为较好的模拟隔震装置的工作性能以及先关文献的参考值，设计初始刚度为2000kN/m，屈服力为150000kN，屈服刚度比为0.15。

4钢框架结构地震动特性分析

采用OpenSees计算平台进行动力数值分析之前先进行静力分析，以此能够获得结构的自身特性，然后进行动力时程分析。鉴于OpenSees软件在前后处理方面的不足性，在进行数据处理时需要借助MATLAB软件，通过MATLAB求解需要分析的内容。

根据《建筑抗震設计规范》，本文数值模型建于Ⅲ类场地上，在地震库中按场地分类条件分别选取远断层、近断层地震动，进行动力时程分析。

将选取的地震动调幅为0.1g、0.3g、0.5g，分别输入的非隔震模型和带隔震模型中。在各种工况下，计算对比两种结构的震动响应，主要顶层节点的位移响应、结构最大层间位移响应、结构首层内力响应等。以下为结构的响应叙述：

在峰值为0.1g的H-SP地震动作用下结构的位移响应，由于隔震装置的存在减弱了结构的整体刚度，使隔震结构顶点的位移在个别时间点上大于非隔震结构的位移;但在整体上，隔震装置吸收了大量的地震能，大大减小了输入到上层结构的地震动能量。通过计算发现，隔震结构的顶点水平向位移均值仅为非隔震结构的65.46%，最大层间位移均值减小了26.75%。

关于地震动作用下的动力响应，结构顶层节点漂移率能够反映结构抗震性能的整体性，结构正常使用时，不只需要满足极限承载力，还需要满足舒适性，结构的顶点漂移率反映了结构在震动过程结构顶点位移相对地面位移的变化幅度，不难发现，在H-SP地震动作用下，隔震结构的整体稳定性能要优于非隔震结构。经过计算发现，结构首层的层间位移角最大，两类结构之间的最大差异达到35%。

5结束语

本文通过在OpenSees平台建立数值计算模型，并根据场地条件分别对近断层和远断层地震动序列进行模拟，并对结构的位移响应和首层柱轴力响应以及层间位移角等方面的分析计算，得出以下结论：

（1）断层的地震动响应都有相似的规律，既隔震结构由于隔震装置的耗能作用，在抗震性能上要优于非隔震结构。

（2）隔震结构的抗震优越性随着地震动强度的增加逐渐变得更明显，这对发展隔震结构建筑设计思想有一定的参考价值。

参考文献

[1] 宿专青.削弱型钢框架在冲击荷载作用下的数值分析[D].大连：大连理工大学，2012.

[2] 閤东东，周忠发，苗启松.地震作用下钢筋混凝土框架结构连续倒塌数值模拟[J].土木工程学报，2014，（s2）：50-55.