单由度悬臂钢柱大震分析

本帖最后由 strat0fj 于 2014-3-19 11:54 编辑

单由度悬臂钢柱大震分析
塑性铰模型VS纤维模型 为了对比塑性铰模型与纤维模型计算结果的可靠性和准确性，验证钢构件在大震作用下、材料屈服后的位移响应特点。我们采取下面单根悬臂柱。材料Q345，Fy=345MPa。钢框柱截面0.35′0.4′0.012，高度4.7m。柱上端集中质量30T，分别作用竖向压力Nz=0kN、3000kN、6500kN。其中轴压力Nz=6500kN使柱在重力作用下的应力接近于屈服承载力。为使条件统一，作用轴压力Nz不转化为质量，模型质量总恒定为30T。为简化模型，不计构件自重和质量。纤维模型计算采用佳构STRAT软件。柱采用纤维模型，纵向分10段，截面长边细分12段。塑性铰模型计算采取MIDAS软件。在不同轴压力下，采用同一地震波，分别按照100gal、200gal、300gal、400gal的波峰强度，进行弹塑性时程计算。分别绘制出顶端点的位移曲线，和柱剪力时程曲线。模型基本周期T1= 0.76645s，T2=0.69151s。地震波特征周期Tw=0.4s。

初步结论：1、轴压力对结构的弹塑性动力响应影响很大。2、随着地震波强度的增大，结构的位移总是增加的。在400gal的强震作用下，柱产生不可恢复的塑性变形，且在高轴压力下变形呈发散趋势。
一、纤维模型(strat计算结果)分析：1-1 位移曲线，X向


Nz=0kN


Nz=3000kN


Nz=6500kN

1-2 位移曲线，Y向


Nz=0kN


Nz=3000kN


Nz=6500kN

结果分析：纤维模型可以很好模拟结构有弹性进入塑性的过程：1）在弹性阶段 波峰波谷出现在同一位置，位移成比例。2）在塑性阶段 有明显的相位差有波峰滞后出现，随着进入全塑性 出现不可逆的塑性变形。3）在不同轴压力作用下基本合符以上趋势，但随着轴压力增大越不容易出现不可逆塑性变形。



二、纤维模型(MIDAS计算结果)分析2-1顶点位移曲线X方向


Nz=0kN 1）在Nz=0kN阶段 14s之后，较小的300gal波(蓝色)出现明显的“不可恢复塑性变形”，而较大的400gal波(黄色)反 而没有出现，明显不合理！ 对照STRAT结果，只有400gal时才出现“不可恢复塑性变形”

Nz=3000kN
2）在Nz=3000kN阶段 400gal、300gal与100gal的结果相同，都是弹性反应，明显错误！说是弹性反应的原因：1)各波相位相同(波峰位置相同)，2)黄线与其它线峰值等比例

Nz=6500kN
3）在Nz=6500kN阶段 明显突出了塑性铰模型的严重缺陷，计算彻底失败！表明模型根本错误！a、400gal是弹性反应，倒是100、200gal出现不可恢复塑性变形，很离奇!b、同一波形，得到相反的位移响应(蓝线在为正，绿线、红线为负) c、如果认为“一开始就出现较大的塑性变形”是可能的，但后续的反应不可能很小! 因为对于悬臂构件，卸载过程结构的刚度是弹性刚度，地震响应仍然很大，仍然有较大的振动幅度。


2-2顶点位移曲线Y方向



Nz=0kN



Nz=3000kN

Nz=6500kN
总结： 塑性铰模型不能模拟存在轴力下的大震作用下、材料屈服后的位移响应特点。在轴压力影响下其计算结果失真。不能满足工程结构设计的要求 全纤维模型 可以很好考虑轴压力作用下的大震的位移响应特点。并且随着轴压力增大越不容易出现不可逆塑性变形。