伸臂桁架简化模型滞回曲线的模拟研究

李菁

（青海大学土木工程学院，西宁810016）

1 引言

近年来，超高层建筑发展迅速，建筑的高度不断被刷新，水平作用成为结构设计的重要因素。如何有效控制高层建筑水平侧移成为工程设计当中的关键难题。近年来，越来越多的超高层建筑采用设置伸臂桁架，将外围框架与核心筒联系起来【1～5】，通过外框架的轴向变形来承担结构的倾覆力矩，提高结构的抗风和抗震能力【6】。

当然，循环荷载下伸臂桁架的力学性能自然是很多研究者热衷研究的对象【7，8】。在伸臂桁架的滞回曲线研究当中，各国学者已经得出了大量的结论。但是，伸臂桁架力学性能受很多因素的影响，非常复杂，到现在还没有完全掌握，一些关键问题也没有解决，笔者应用ABAQUS 软件提供的弹性本构模型、弹性损伤本构模型，对伸臂桁架简化模型进行了完全弹性模拟和塑性损伤滞回曲线模拟，并进行了对比。伸臂桁架连接核心筒与框架柱如图1 所示。

图1 伸臂桁架连接核心筒与框架

2 试验设计

2.1 简化模型与加载方式

简化模型上下弦及腹杆均采用钢材桁架结构。钢材牌号为Q345，材性试验确定其屈服强度为388MPa，极限强度 为479MPa，延伸率为34%。试件尺寸及加载方式如图2、图3所示。

图2 普通伸臂桁架简化模型

图3 普通伸臂桁架加载方式

2.2 加载制度

模拟设置左端固定，A 点为往复位移控制加载点。其位移大小分别为1mm、2mm、4mm、6mm、8mm、10mm、12mm、14mm、16mm、18mm、20mm、22mm、24mm、26mm、28mm、30mm、32mm、34mm、36mm、38mm、40mm、42mm、44mm、50mm。每级荷载均循环2 次，共48 次循环。加载制度如图4 所示。

2.3 荷载- 位移滞回曲线

弹性阶段普通伸臂桁架弹性阶段荷载-位移滞回曲线如图5 所示。

图4 试验加载制度

图5 普通伸臂桁架荷载- 位移滞回曲线

由图5 可知普通伸臂桁架的峰值承载力为1 629kN，峰值位移为49mm。

屈曲阶段时普通伸臂桁架的荷载-位移滞回曲线如图6所示。

图6 普通伸臂桁架荷载- 位移滞回曲线

由图6 可知，峰值承载力为1 569kN，峰值位移为17mm。随后位移达到24.9mm 时，承载力下降为1 059kN，仅为峰值承载力的67%。

3 结语

本文对伸臂桁架的模拟研究得出以下结论：

1）通过有限元分析弹性和屈曲阶段，2 种滞回曲线在峰值位移和峰值承载力上存在很大差异。屈曲阶段的峰值明显小于弹性阶段的。其变小的规律与弹性阶段的应力应变曲线相关。

2）从图形可以看出，在循环荷载下，不考虑屈曲的模型刚度和强度不会明显下降，考虑屈曲的模型引起了刚度和强度降低。

3）考虑钢材屈曲的分析结果比不考虑钢材屈曲的分析结果更加符合实际。