外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架動(dòng)力穩(wěn)定性的多維度剖析一、緒論1.1研究背景與意義1.1.1研究背景隨著現(xiàn)代建筑工程的快速發(fā)展，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的性能要求日益提高，新型混合結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架作為一種新型的結(jié)構(gòu)形式，因其融合了鋼材和混凝土的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)出獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)，在建筑領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。外包U型鋼混凝土組合梁結(jié)合了U型鋼的高強(qiáng)度和混凝土的抗壓性能，不僅提高了梁的承載能力和剛度，還增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的防火、防腐性能。方鋼管混凝土柱則充分發(fā)揮了鋼管對(duì)混凝土的約束作用，使混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性得到顯著提升，同時(shí)鋼管還能承擔(dān)施工階段的荷載，加快施工進(jìn)度。這種組合框架結(jié)構(gòu)兼具了波形鋼板混凝土組合結(jié)構(gòu)和空心鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)處，具備剛度大、承載力強(qiáng)、穩(wěn)定可靠、施工便捷等一系列優(yōu)點(diǎn)，適用于高層、大跨度等對(duì)結(jié)構(gòu)性能要求較高的建筑工程中。盡管外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架在實(shí)際工程中已有所應(yīng)用，但其在動(dòng)力穩(wěn)定性方面的研究還相對(duì)不足。在實(shí)際使用過(guò)程中，結(jié)構(gòu)會(huì)受到多種動(dòng)態(tài)荷載的作用，如地震、風(fēng)力、機(jī)械振動(dòng)等。地震作用下，地面的劇烈震動(dòng)會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的慣性力，對(duì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重威脅；強(qiáng)風(fēng)作用時(shí)，風(fēng)荷載的脈動(dòng)特性會(huì)引發(fā)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，若結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性不佳，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞損傷甚至破壞。此外，建筑結(jié)構(gòu)自身的非線性效應(yīng)，如材料非線性、幾何非線性等，也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的穩(wěn)定性產(chǎn)生復(fù)雜的影響。這些因素都使得深入研究該組合框架的動(dòng)力穩(wěn)定性變得極為迫切。1.1.2研究意義本研究聚焦于外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架的動(dòng)力穩(wěn)定性分析，具有重要的理論與實(shí)際意義。從實(shí)際應(yīng)用角度看，為該結(jié)構(gòu)類型的工程設(shè)計(jì)及施工提供技術(shù)支撐。通過(guò)深入研究其動(dòng)力穩(wěn)定性，明確結(jié)構(gòu)在不同動(dòng)力荷載作用下的響應(yīng)規(guī)律和穩(wěn)定性狀態(tài)，能夠?yàn)楣こ處熢谠O(shè)計(jì)階段提供科學(xué)準(zhǔn)確的理論依據(jù)，幫助他們合理選擇結(jié)構(gòu)參數(shù)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而提高該結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用價(jià)值，保障建筑結(jié)構(gòu)在服役期間的安全性和可靠性。例如，在地震頻發(fā)地區(qū)的建筑設(shè)計(jì)中，依據(jù)動(dòng)力穩(wěn)定性研究結(jié)果，可以合理調(diào)整組合框架的梁柱尺寸、節(jié)點(diǎn)連接方式等，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗震能力，減少地震災(zāi)害帶來(lái)的損失。在理論層面，本研究有助于豐富和完善該組合框架結(jié)構(gòu)的理論體系。目前對(duì)于這種新型組合框架的動(dòng)力穩(wěn)定性研究還存在許多空白和不足，通過(guò)本次研究，可以填補(bǔ)相關(guān)理論空白，深入揭示結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制和穩(wěn)定性機(jī)理，為后續(xù)相關(guān)研究提供重要的參考和借鑒，推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。從更廣義的角度來(lái)說(shuō)，本研究可為建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問(wèn)題提供參考和指導(dǎo)。通過(guò)對(duì)這種特定組合框架動(dòng)力穩(wěn)定性的研究，所采用的研究方法、分析思路以及得出的結(jié)論，都可以為其他類型建筑結(jié)構(gòu)在動(dòng)力穩(wěn)定性研究方面提供有益的啟示，進(jìn)而推動(dòng)建筑工程領(lǐng)域的技術(shù)變革和進(jìn)步，促進(jìn)整個(gè)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1組合結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀組合結(jié)構(gòu)作為一種融合了多種材料優(yōu)勢(shì)的結(jié)構(gòu)形式，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的研究與應(yīng)用。從材料應(yīng)用方面來(lái)看，鋼材與混凝土的組合是最為常見(jiàn)的形式，如鋼-混凝土組合梁、鋼管混凝土柱等。鋼材具有強(qiáng)度高、延性好、施工速度快等優(yōu)點(diǎn)，而混凝土則具有成本低、抗壓強(qiáng)度高、耐久性好等特點(diǎn)，兩者的結(jié)合能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，提高結(jié)構(gòu)的綜合性能。隨著科技的不斷進(jìn)步，一些新型材料也逐漸應(yīng)用于組合結(jié)構(gòu)中，如纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）等。FRP具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)異性能，與傳統(tǒng)材料組合使用，可以進(jìn)一步拓展組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍，滿足特殊工程環(huán)境的需求。在結(jié)構(gòu)形式探索上，研究人員不斷創(chuàng)新，提出了各種新型的組合結(jié)構(gòu)體系。除了常見(jiàn)的梁-柱組合框架結(jié)構(gòu)外，還有桁架-混凝土組合結(jié)構(gòu)、拱-混凝土組合結(jié)構(gòu)等。這些新型結(jié)構(gòu)形式在大跨度建筑、高層建筑以及橋梁工程中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，在大跨度橋梁建設(shè)中，鋼-混凝土組合梁橋通過(guò)合理布置鋼梁和混凝土橋面板，能夠有效地提高橋梁的跨越能力和承載性能；在高層建筑中，鋼管混凝土柱與鋼梁組成的框架結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)榻ㄖ峁?qiáng)大的豎向承載能力和良好的抗震性能。然而，對(duì)于外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架這種新型的組合結(jié)構(gòu)形式，雖然其在實(shí)際工程中已有所應(yīng)用，但相關(guān)的研究還相對(duì)較少，尤其是在動(dòng)力穩(wěn)定性方面的研究還存在許多空白，亟待深入探索。1.2.2外包U型鋼混凝土組合梁研究現(xiàn)狀在外包U型鋼混凝土組合梁的研究中，截面設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的方面。學(xué)者們通過(guò)理論分析和試驗(yàn)研究，探討了不同截面形式（如矩形、T形等）對(duì)外包U型鋼混凝土組合梁受力性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，合理設(shè)計(jì)截面形狀和尺寸，可以使U型鋼和混凝土更好地協(xié)同工作，充分發(fā)揮各自的材料性能，提高組合梁的承載能力和剛度。在力學(xué)性能研究方面，眾多學(xué)者對(duì)其抗彎、抗剪、抗扭等性能進(jìn)行了深入研究。通過(guò)試驗(yàn)，獲取了組合梁在不同受力狀態(tài)下的荷載-位移曲線、應(yīng)力分布規(guī)律等數(shù)據(jù)，為理論分析提供了依據(jù)。理論分析方法主要包括基于平截面假定的彈性分析方法和考慮材料非線性的塑性分析方法等。然而，目前的研究在一些方面仍存在不足，例如，對(duì)于組合梁在復(fù)雜荷載作用下（如循環(huán)荷載、沖擊荷載等）的力學(xué)性能研究還不夠深入，對(duì)于U型鋼與混凝土之間的粘結(jié)滑移性能的研究也有待進(jìn)一步完善，這些不足限制了對(duì)外包U型鋼混凝土組合梁力學(xué)性能的全面認(rèn)識(shí)和準(zhǔn)確把握。1.2.3方鋼管混凝土柱研究現(xiàn)狀方鋼管混凝土柱在軸壓、偏壓等受力情況下的研究取得了豐碩的成果。在軸壓作用下，研究表明鋼管對(duì)核心混凝土的約束作用能夠顯著提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性。通過(guò)大量的試驗(yàn)研究，建立了多種軸壓承載力計(jì)算公式，這些公式考慮了鋼管和混凝土的材料強(qiáng)度、截面尺寸等因素，為工程設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。在偏壓受力狀態(tài)下，方鋼管混凝土柱的受力性能較為復(fù)雜，不僅要考慮軸力和彎矩的共同作用，還要考慮偏心距對(duì)構(gòu)件承載力和變形的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著偏心距的增大，構(gòu)件的承載力逐漸降低，變形逐漸增大。通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析了偏壓構(gòu)件的破壞模式，主要包括受壓區(qū)混凝土壓碎、鋼管局部屈曲等，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造措施。在組合框架中的應(yīng)用研究方面，雖然方鋼管混凝土柱與其他構(gòu)件（如鋼梁、混凝土梁等）組成的組合框架在工程中得到了一定應(yīng)用，但對(duì)于與外包U型鋼混凝土組合梁組成的組合框架的研究還相對(duì)較少。對(duì)于這種組合框架中柱與梁的連接節(jié)點(diǎn)形式、節(jié)點(diǎn)的受力性能以及節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)框架結(jié)構(gòu)性能的影響等方面，還需要進(jìn)一步深入研究，以明確其在組合框架中的力學(xué)行為和作用機(jī)制，為組合框架的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供更完善的理論支持。1.2.4組合框架節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式主要有“懸臂”式和“雙重支撐”式兩種。在“懸臂”式節(jié)點(diǎn)中，鋼梁在柱子上方伸出，主要受到彎矩和剪力的作用，這種節(jié)點(diǎn)形式構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)鋼梁的抗彎和抗剪能力要求較高。在“雙重支撐”式節(jié)點(diǎn)中，鋼梁兩端分別置于柱子兩側(cè)，受到彎矩、剪力和軸向力的共同作用，節(jié)點(diǎn)受力更為復(fù)雜，但能夠更好地傳遞荷載，提高節(jié)點(diǎn)的承載能力。在節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能試驗(yàn)方面，研究人員通過(guò)對(duì)不同構(gòu)造形式的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，獲取了節(jié)點(diǎn)的極限承載力、剛度、變形和破壞模式等重要參數(shù)。常用的試驗(yàn)方法有貫穿節(jié)點(diǎn)的測(cè)試方法和基于小直徑孔洞取樣的試驗(yàn)方法等。對(duì)于“雙重支撐”式節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，還需要特別關(guān)注軸向力加荷情況下關(guān)鍵部位的受力分析，以全面了解節(jié)點(diǎn)在復(fù)雜受力狀態(tài)下的性能。在理論計(jì)算方法上，主要包括基于靜力彈塑性理論、極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法和可靠度設(shè)計(jì)法等。這些方法通過(guò)建立合理的力學(xué)模型，考慮材料本構(gòu)關(guān)系、節(jié)點(diǎn)剛度和軸向力影響等因素，對(duì)節(jié)點(diǎn)的承載能力和破壞模式進(jìn)行評(píng)估。然而，目前節(jié)點(diǎn)研究仍存在一些問(wèn)題，如不同節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)還需要進(jìn)一步研究，節(jié)點(diǎn)的抗震性能研究還不夠深入，如何提高節(jié)點(diǎn)在地震等災(zāi)害作用下的可靠性和穩(wěn)定性，仍是亟待解決的問(wèn)題。1.2.5結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀動(dòng)力穩(wěn)定理論和判定準(zhǔn)則是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。隨著力學(xué)理論的不斷發(fā)展，從早期的線性動(dòng)力穩(wěn)定理論逐漸發(fā)展到考慮幾何非線性、材料非線性的非線性動(dòng)力穩(wěn)定理論。線性動(dòng)力穩(wěn)定理論主要適用于小變形、彈性階段的結(jié)構(gòu)分析，其判定準(zhǔn)則相對(duì)簡(jiǎn)單，如根據(jù)結(jié)構(gòu)的特征值來(lái)判斷穩(wěn)定性。然而，實(shí)際結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下往往會(huì)進(jìn)入非線性階段，因此非線性動(dòng)力穩(wěn)定理論得到了更廣泛的關(guān)注。判定準(zhǔn)則也從單一的特征值判據(jù)發(fā)展到多種指標(biāo)綜合判斷，如能量判據(jù)、位移判據(jù)、應(yīng)力判據(jù)等。能量判據(jù)通過(guò)分析結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的能量變化來(lái)判斷穩(wěn)定性，當(dāng)結(jié)構(gòu)吸收的能量超過(guò)其極限能量時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)；位移判據(jù)則根據(jù)結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)是否超過(guò)允許范圍來(lái)判斷穩(wěn)定性；應(yīng)力判據(jù)關(guān)注結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的應(yīng)力是否達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度或極限強(qiáng)度。在框架動(dòng)力穩(wěn)定問(wèn)題研究上，國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得了一定的成果。通過(guò)理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究等方法，對(duì)不同類型框架結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。研究?jī)?nèi)容包括框架的自振特性分析、動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算以及穩(wěn)定性影響因素研究等。然而，目前對(duì)于外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架的動(dòng)力穩(wěn)定問(wèn)題研究還處于起步階段，在該領(lǐng)域存在諸多空白，如組合框架在復(fù)雜動(dòng)力荷載（如多維地震作用、風(fēng)振與地震耦合作用等）下的動(dòng)力穩(wěn)定性研究較少，考慮材料和幾何非線性的精細(xì)化動(dòng)力穩(wěn)定分析方法還不完善，缺乏針對(duì)該組合框架的動(dòng)力穩(wěn)定性設(shè)計(jì)方法和規(guī)范依據(jù)等。這些問(wèn)題限制了該組合框架在實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用和推廣，因此開(kāi)展深入的研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究聚焦于外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架的動(dòng)力穩(wěn)定性，具體研究?jī)?nèi)容涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：建立組合框架有限元模型：運(yùn)用有限元理論，充分考慮外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱的材料特性、幾何尺寸以及節(jié)點(diǎn)連接方式等因素，構(gòu)建精確的組合框架有限元模型。通過(guò)對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系進(jìn)行深入研究，精確模擬節(jié)點(diǎn)的半剛接狀態(tài)，從而使模型能夠更真實(shí)地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析：采用合適的地震波，對(duì)建立的組合框架有限元模型開(kāi)展動(dòng)力時(shí)程分析。在分析過(guò)程中，系統(tǒng)研究不同節(jié)點(diǎn)剛度、結(jié)構(gòu)層數(shù)和跨數(shù)以及不同地震波類型對(duì)組合框架動(dòng)力響應(yīng)的影響，獲取結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的位移、速度、加速度、應(yīng)力和應(yīng)變等動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)，深入揭示組合框架在動(dòng)力荷載作用下的響應(yīng)規(guī)律。研究動(dòng)力穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則：基于現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性研究成果，結(jié)合外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架的特點(diǎn)，探索適用于該組合框架的動(dòng)力穩(wěn)定性判定準(zhǔn)則。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，明確結(jié)構(gòu)動(dòng)力失穩(wěn)的特征和判據(jù)，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。求解組合框架的臨界加速度：通過(guò)逐步調(diào)整地震波加速度峰值進(jìn)行試算，追蹤結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)曲線，當(dāng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)出現(xiàn)明顯的非線性變化或達(dá)到設(shè)定的失穩(wěn)判據(jù)時(shí)，確定此時(shí)的地震波加速度峰值即為組合框架的臨界加速度。深入分析組合框架的臨界加速度與結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料特性之間的關(guān)系，為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵參數(shù)。1.3.2研究方法本研究采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，全面深入地研究外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架的動(dòng)力穩(wěn)定性。具體研究方法如下：理論分析：運(yùn)用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)、彈性力學(xué)等相關(guān)理論，建立組合框架的動(dòng)力分析模型?？紤]材料性能、幾何結(jié)構(gòu)、荷載形式以及節(jié)點(diǎn)剛度等因素，推導(dǎo)組合框架在動(dòng)力荷載作用下的運(yùn)動(dòng)方程，并求解結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動(dòng)力特性參數(shù)，為數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究提供理論基礎(chǔ)。數(shù)值模擬：借助ANSYS、ABAQUS等專業(yè)有限元軟件，建立精確的組合框架有限元模型。在模型中，合理定義材料的本構(gòu)關(guān)系、單元類型和邊界條件，模擬結(jié)構(gòu)在不同工況下的動(dòng)力響應(yīng)。通過(guò)數(shù)值模擬，能夠快速、準(zhǔn)確地獲取結(jié)構(gòu)在各種動(dòng)力荷載作用下的力學(xué)性能參數(shù)，為結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)參數(shù)和荷載條件，進(jìn)行多組數(shù)值模擬分析，研究各因素對(duì)組合框架動(dòng)力穩(wěn)定性的影響規(guī)律。試驗(yàn)驗(yàn)證：設(shè)計(jì)并制作外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架的縮尺模型，進(jìn)行動(dòng)力加載試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，采用先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)和設(shè)備，測(cè)量結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的位移、應(yīng)變、加速度等響應(yīng)數(shù)據(jù)。將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，不僅可以檢驗(yàn)理論分析和數(shù)值模擬的正確性，還能發(fā)現(xiàn)一些數(shù)值模擬難以考慮的因素對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，為進(jìn)一步完善理論模型和數(shù)值模擬方法提供依據(jù)。二、組合框架有限元模型的建立2.1有限元建?；炯俣ㄔ跇?gòu)建外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架的有限元模型時(shí)，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程并確保模型的合理性和準(zhǔn)確性，引入了一系列基本假定：材料均勻連續(xù)性假定：假設(shè)鋼材和混凝土均為均勻、連續(xù)且各向同性的材料。鋼材在微觀層面上，其晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分均勻分布，使得在宏觀力學(xué)分析中，鋼材的力學(xué)性能在各個(gè)方向上表現(xiàn)一致，符合各向同性的特性。對(duì)于混凝土，雖然其內(nèi)部包含水泥、骨料、水等多種成分，但在本假定下，將其視為一種宏觀上均勻連續(xù)的材料，不考慮其微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性，這樣可以方便地應(yīng)用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的理論和方法來(lái)描述材料的力學(xué)行為，為后續(xù)的應(yīng)力、應(yīng)變分析提供基礎(chǔ)。小變形假定：認(rèn)為組合框架在動(dòng)力荷載作用下產(chǎn)生的變形遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的原始尺寸。這意味著在分析過(guò)程中，可以忽略由于變形引起的幾何尺寸變化對(duì)結(jié)構(gòu)受力的影響，從而簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的平衡方程和幾何方程。在計(jì)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形時(shí)，基于小變形假定，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變與位移之間呈線性關(guān)系，結(jié)構(gòu)的平衡方程可以在原始幾何位置上建立，大大降低了分析的復(fù)雜性。平截面假定：對(duì)于外包U型鋼混凝土組合梁和方鋼管混凝土柱，在受力過(guò)程中，其截面在變形后仍保持為平面。以外包U型鋼混凝土組合梁為例，在承受彎矩作用時(shí)，梁的橫截面在變形前后都保持平面，使得截面上的應(yīng)變分布符合線性規(guī)律，即從受壓區(qū)到受拉區(qū)，應(yīng)變呈線性變化。這一假定為推導(dǎo)組合梁和柱的應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算公式提供了重要依據(jù)，有助于簡(jiǎn)化理論分析過(guò)程，同時(shí)也為有限元模型中單元的選擇和參數(shù)設(shè)置提供了指導(dǎo)。忽略材料初始缺陷假定：在模型中不考慮鋼材和混凝土的初始缺陷，如鋼材的殘余應(yīng)力、混凝土的微裂縫等。盡管在實(shí)際材料中，這些初始缺陷不可避免地存在，并且可能對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響，但在初步建立有限元模型時(shí)，忽略這些因素可以使分析更加聚焦于結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)行為，突出主要因素對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力穩(wěn)定性的影響。在后續(xù)的研究中，可以根據(jù)需要進(jìn)一步考慮這些初始缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，以完善模型的準(zhǔn)確性。節(jié)點(diǎn)半剛接假定：假定組合框架的梁柱節(jié)點(diǎn)為半剛接。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，節(jié)點(diǎn)既不是完全剛性連接，也不是理想的鉸接，而是具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。通過(guò)半剛接假定，可以更真實(shí)地模擬節(jié)點(diǎn)在受力過(guò)程中的力學(xué)行為，考慮節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響。在有限元模型中，可以通過(guò)定義合適的節(jié)點(diǎn)剛度矩陣來(lái)實(shí)現(xiàn)這一假定，使模型能夠更準(zhǔn)確地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力和變形特征。2.2單元類型的選擇在建立外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架的有限元模型時(shí)，合理選擇單元類型至關(guān)重要，它直接影響到模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。不同的構(gòu)件和連接部位需要采用不同類型的單元來(lái)模擬，以真實(shí)反映其力學(xué)行為。2.2.1鋼板單元對(duì)于外包U型鋼混凝土組合梁中的U型鋼以及方鋼管混凝土柱中的鋼管，選用Shell181單元進(jìn)行模擬。Shell181單元屬于彈性殼單元，適用于薄到中等厚度的殼結(jié)構(gòu)。它具有強(qiáng)大的非線性功能，能夠很好地模擬鋼板在復(fù)雜受力狀態(tài)下的變形和應(yīng)力分布。該單元有四個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有六個(gè)自由度，分別為沿節(jié)點(diǎn)X、Y、Z方向的平動(dòng)及繞節(jié)點(diǎn)X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，這使得它可以準(zhǔn)確地描述鋼板在空間中的各種運(yùn)動(dòng)和受力情況。此外，Shell181單元還具備應(yīng)力剛化及大變形功能，能夠考慮鋼板在受力過(guò)程中可能出現(xiàn)的大變形情況，保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在模擬U型鋼時(shí)，通過(guò)合理設(shè)置單元的實(shí)常數(shù)，如鋼板的厚度、截面形狀等參數(shù)，可以精確地反映U型鋼的幾何特征和力學(xué)性能，為組合梁的受力分析提供可靠的基礎(chǔ)。2.2.2混凝土單元混凝土采用Solid65單元進(jìn)行模擬。Solid65單元是專門為混凝土材料設(shè)計(jì)的單元，它能夠考慮混凝土的開(kāi)裂、壓碎等非線性力學(xué)行為。該單元可以模擬混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)，如在壓力、拉力、剪力等作用下的變形和破壞過(guò)程。Solid65單元可以通過(guò)定義混凝土的材料參數(shù)，如彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等，以及混凝土的本構(gòu)關(guān)系，如實(shí)常數(shù)中的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線、受拉損傷因子等，來(lái)準(zhǔn)確地描述混凝土的力學(xué)性能。在模擬方鋼管混凝土柱中的核心混凝土?xí)r，Solid65單元能夠充分考慮鋼管對(duì)混凝土的約束作用，以及混凝土在約束條件下的強(qiáng)度提高和變形特性，從而為組合柱的力學(xué)性能分析提供準(zhǔn)確的模擬結(jié)果。2.2.3鋼筋單元鋼筋選用Link8單元來(lái)模擬。Link8單元是一種三維桿單元，主要用于承受軸向拉力或壓力。在組合框架中，鋼筋主要承受拉力，通過(guò)Link8單元可以準(zhǔn)確地模擬鋼筋的受力和變形情況。該單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，分別為沿節(jié)點(diǎn)X、Y、Z方向的平動(dòng)，能夠滿足鋼筋在空間中的受力分析需求。在模擬過(guò)程中，將鋼筋與混凝土單元通過(guò)合適的連接方式進(jìn)行耦合，以實(shí)現(xiàn)兩者之間的協(xié)同工作。在節(jié)點(diǎn)處，可以通過(guò)定義共用節(jié)點(diǎn)或使用約束方程等方式，保證鋼筋和混凝土在受力過(guò)程中的變形協(xié)調(diào)，從而真實(shí)地反映鋼筋與混凝土組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。2.2.4Beam189單元梁、柱構(gòu)件采用Beam189單元進(jìn)行模擬。Beam189單元是一種基于鐵木辛科梁理論的三維梁?jiǎn)卧哂兄T多優(yōu)點(diǎn)。它能夠考慮剪切變形的影響，這對(duì)于模擬梁、柱在實(shí)際受力過(guò)程中的變形情況非常重要，因?yàn)樵趯?shí)際結(jié)構(gòu)中，剪切變形往往不可忽略。該單元的截面可設(shè)置多種材料，這使得它非常適合模擬外包U型鋼混凝土組合梁和方鋼管混凝土柱這種組合構(gòu)件，能夠準(zhǔn)確地反映不同材料之間的協(xié)同工作。Beam189單元可以通過(guò)定義截面屬性，如實(shí)常數(shù)中的截面面積、慣性矩、扭轉(zhuǎn)常數(shù)等，來(lái)精確地描述梁、柱的幾何特征和力學(xué)性能。它還可以考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，對(duì)于承受扭矩的梁、柱構(gòu)件，能夠準(zhǔn)確地模擬其扭轉(zhuǎn)受力和變形情況。在建立組合框架模型時(shí)，通過(guò)合理布置Beam189單元，可以準(zhǔn)確地模擬梁、柱的受力和變形，為整個(gè)框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能分析提供基礎(chǔ)。2.2.5Combin39單元Combin39單元用于模擬組合框架的節(jié)點(diǎn)連接。Combin39單元是一種非線性彈簧單元，在實(shí)常數(shù)中可以靈活定義力-位移關(guān)系，這使得它能夠很好地模擬節(jié)點(diǎn)的半剛接特性。在組合框架中，梁柱節(jié)點(diǎn)既不是完全剛性連接，也不是理想的鉸接，而是具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，通過(guò)Combin39單元可以準(zhǔn)確地模擬這種半剛接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)行為。通過(guò)定義合適的力-位移關(guān)系曲線，如節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線，可以模擬節(jié)點(diǎn)在受力過(guò)程中的剛度變化和非線性行為，從而真實(shí)地反映節(jié)點(diǎn)對(duì)整個(gè)組合框架結(jié)構(gòu)性能的影響。在模擬過(guò)程中，將Combin39單元連接在梁、柱單元的節(jié)點(diǎn)處，通過(guò)調(diào)整其力-位移關(guān)系參數(shù)，使其能夠準(zhǔn)確地模擬節(jié)點(diǎn)的實(shí)際受力和變形情況，為組合框架的動(dòng)力穩(wěn)定性分析提供準(zhǔn)確的節(jié)點(diǎn)模型。2.3材料的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則2.3.1混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系描述了其在受力過(guò)程中應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，對(duì)于準(zhǔn)確模擬外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架的力學(xué)性能至關(guān)重要。目前，常用的混凝土本構(gòu)關(guān)系模型主要有以下幾種：線彈性本構(gòu)模型：該模型假定混凝土在受力過(guò)程中應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，符合胡克定律，即\sigma=E\varepsilon，其中\(zhòng)sigma為應(yīng)力，E為彈性模量，\varepsilon為應(yīng)變。線彈性本構(gòu)模型的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單，在混凝土受力的彈性階段，能夠較好地描述其力學(xué)行為。在組合框架承受較小荷載時(shí)，混凝土基本處于彈性階段，此時(shí)線彈性本構(gòu)模型可以提供較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果。然而，該模型的局限性在于它無(wú)法考慮混凝土的非線性特性，如混凝土的開(kāi)裂、塑性變形等。當(dāng)混凝土進(jìn)入非線性階段后，線彈性本構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)產(chǎn)生較大偏差，不能真實(shí)反映混凝土的力學(xué)性能。彈塑性本構(gòu)模型：彈塑性本構(gòu)模型考慮了混凝土在受力過(guò)程中的彈性和塑性變形。其中，常用的有增量型彈塑性本構(gòu)模型和全量型彈塑性本構(gòu)模型。增量型彈塑性本構(gòu)模型基于加載和卸載準(zhǔn)則，通過(guò)增量形式的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系來(lái)描述混凝土的力學(xué)行為。在每一個(gè)加載增量步中，根據(jù)混凝土的應(yīng)力狀態(tài)判斷其是處于彈性階段還是塑性階段，從而采用相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算。這種模型能夠較好地反映混凝土在復(fù)雜加載路徑下的力學(xué)響應(yīng)，但計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜，需要進(jìn)行大量的迭代計(jì)算。全量型彈塑性本構(gòu)模型則直接建立應(yīng)力與應(yīng)變之間的全量關(guān)系，其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)加載路徑有一定的限制，一般適用于單調(diào)加載情況。彈塑性本構(gòu)模型雖然考慮了混凝土的塑性變形，但在描述混凝土的損傷演化和開(kāi)裂等現(xiàn)象時(shí)，仍存在一定的局限性。損傷本構(gòu)模型：損傷本構(gòu)模型引入損傷變量來(lái)描述混凝土在受力過(guò)程中的損傷演化。混凝土在受力過(guò)程中，內(nèi)部會(huì)逐漸產(chǎn)生微裂紋和缺陷，這些損傷會(huì)導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能下降。損傷本構(gòu)模型通過(guò)建立損傷變量與應(yīng)力、應(yīng)變之間的關(guān)系，能夠較好地描述混凝土的損傷過(guò)程和力學(xué)性能的退化。在混凝土受拉開(kāi)裂時(shí)，損傷變量會(huì)隨著裂縫的開(kāi)展而逐漸增大，從而導(dǎo)致混凝土的抗拉強(qiáng)度降低。常見(jiàn)的損傷本構(gòu)模型有基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的損傷模型、基于斷裂力學(xué)的損傷模型等。基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的損傷模型將混凝土視為連續(xù)介質(zhì)，通過(guò)損傷變量來(lái)描述其內(nèi)部的損傷狀態(tài)，能夠較好地模擬混凝土在宏觀尺度上的力學(xué)行為；基于斷裂力學(xué)的損傷模型則從微觀層面考慮混凝土的裂縫擴(kuò)展和斷裂過(guò)程，能夠更準(zhǔn)確地描述混凝土的斷裂特性，但計(jì)算難度較大。損傷本構(gòu)模型在描述混凝土的損傷演化方面具有優(yōu)勢(shì)，但模型中的損傷參數(shù)往往需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定，且不同的試驗(yàn)方法和條件可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷參數(shù)的差異，從而影響模型的準(zhǔn)確性。塑性損傷本構(gòu)模型：塑性損傷本構(gòu)模型綜合考慮了混凝土的塑性變形和損傷演化。它認(rèn)為混凝土在受力過(guò)程中，塑性變形和損傷是相互耦合的，塑性變形會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷的發(fā)展，而損傷也會(huì)影響混凝土的塑性性能。這種模型能夠更全面地描述混凝土在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)行為，如在地震等動(dòng)態(tài)荷載作用下，混凝土?xí)?jīng)歷多次加載和卸載，塑性損傷本構(gòu)模型可以較好地模擬混凝土在這種情況下的力學(xué)響應(yīng)。在ABAQUS軟件中，常用的塑性損傷本構(gòu)模型有ConcreteDamagePlasticity模型，該模型通過(guò)定義混凝土的拉伸損傷、壓縮損傷、塑性流動(dòng)勢(shì)等參數(shù)，能夠準(zhǔn)確地模擬混凝土在各種荷載條件下的力學(xué)性能。然而，塑性損傷本構(gòu)模型的參數(shù)較多，確定這些參數(shù)需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)和分析，增加了模型的應(yīng)用難度。不同的混凝土本構(gòu)關(guān)系模型在描述混凝土受力過(guò)程中各有其準(zhǔn)確性和局限性。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工程問(wèn)題和分析要求，合理選擇混凝土本構(gòu)關(guān)系模型，以確保有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。2.3.2混凝土材料的破壞準(zhǔn)則混凝土破壞準(zhǔn)則用于判斷混凝土在受力過(guò)程中是否達(dá)到破壞狀態(tài)，是組合框架結(jié)構(gòu)分析中的重要依據(jù)。常見(jiàn)的混凝土破壞準(zhǔn)則主要包括以下幾種：最大應(yīng)力準(zhǔn)則：最大應(yīng)力準(zhǔn)則認(rèn)為，當(dāng)混凝土某一方向的應(yīng)力達(dá)到其相應(yīng)的極限應(yīng)力時(shí)，混凝土即發(fā)生破壞。對(duì)于單向受力情況，當(dāng)混凝土的拉應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度f(wàn)_{t}或壓應(yīng)力達(dá)到其抗壓強(qiáng)度f(wàn)_{c}時(shí)，混凝土發(fā)生破壞。在軸向拉伸試驗(yàn)中，當(dāng)混凝土試件的拉應(yīng)力達(dá)到f_{t}時(shí)，試件會(huì)出現(xiàn)裂縫并最終斷裂；在軸向壓縮試驗(yàn)中，當(dāng)壓應(yīng)力達(dá)到f_{c}時(shí)，混凝土試件會(huì)被壓碎。最大應(yīng)力準(zhǔn)則的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單直觀，易于理解和應(yīng)用。但它沒(méi)有考慮應(yīng)力之間的相互作用，在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，其判斷結(jié)果往往與實(shí)際情況存在較大偏差。在雙向或三向受力情況下，混凝土的破壞強(qiáng)度并非簡(jiǎn)單地等于單向受力時(shí)的強(qiáng)度，此時(shí)最大應(yīng)力準(zhǔn)則就不再適用。最大應(yīng)變準(zhǔn)則：最大應(yīng)變準(zhǔn)則以混凝土的應(yīng)變作為判斷破壞的依據(jù)，當(dāng)混凝土某一方向的應(yīng)變達(dá)到其相應(yīng)的極限應(yīng)變時(shí)，混凝土發(fā)生破壞。在單向拉伸時(shí)，當(dāng)混凝土的拉應(yīng)變達(dá)到極限拉應(yīng)變\varepsilon_{tu}，或在單向壓縮時(shí)，壓應(yīng)變達(dá)到極限壓應(yīng)變\varepsilon_{cu}，混凝土即被視為破壞。最大應(yīng)變準(zhǔn)則考慮了混凝土的變形特性，但同樣沒(méi)有考慮應(yīng)力之間的相互影響，在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的準(zhǔn)確性也受到限制。莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則：莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則基于莫爾圓理論，認(rèn)為材料的破壞取決于剪切應(yīng)力和正應(yīng)力的組合。對(duì)于混凝土，當(dāng)作用在某一截面上的剪應(yīng)力\tau和正應(yīng)力\sigma滿足一定的函數(shù)關(guān)系時(shí)，混凝土發(fā)生破壞。其表達(dá)式通常為\tau=c+\sigma\tan\varphi，其中c為混凝土的粘聚力，\varphi為內(nèi)摩擦角。莫爾-庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則考慮了正應(yīng)力和剪應(yīng)力的相互作用，能夠較好地描述混凝土在受剪和受壓狀態(tài)下的破壞行為。在混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪設(shè)計(jì)中，該準(zhǔn)則得到了廣泛應(yīng)用。然而，該準(zhǔn)則沒(méi)有考慮拉應(yīng)力對(duì)混凝土破壞的影響，在受拉為主的情況下，其適用性較差。雙剪強(qiáng)度理論：雙剪強(qiáng)度理論考慮了材料的雙剪應(yīng)力狀態(tài)，認(rèn)為材料的破壞是由兩個(gè)剪應(yīng)力平面上的應(yīng)力共同決定的。該理論綜合考慮了正應(yīng)力、剪應(yīng)力以及中間主應(yīng)力的影響，能夠更全面地描述混凝土在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞行為。雙剪強(qiáng)度理論在描述混凝土的破壞強(qiáng)度方面具有較高的準(zhǔn)確性，尤其是在多軸應(yīng)力狀態(tài)下，其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果更為接近。但該理論的表達(dá)式相對(duì)復(fù)雜，應(yīng)用時(shí)需要較多的參數(shù)，增加了計(jì)算的難度。Willam-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則：Willam-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則是一種較為全面的混凝土破壞準(zhǔn)則，它考慮了混凝土在拉、壓、剪等復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的破壞特性。該準(zhǔn)則通過(guò)五個(gè)參數(shù)來(lái)描述混凝土的破壞包絡(luò)面，能夠較好地?cái)M合混凝土在不同應(yīng)力狀態(tài)下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在ABAQUS軟件中，對(duì)于混凝土材料的模擬，常采用Willam-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則來(lái)判斷混凝土的失效狀態(tài)。該準(zhǔn)則能夠準(zhǔn)確地反映混凝土在各種受力情況下的破壞行為，但由于其參數(shù)較多，確定這些參數(shù)需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)和分析，增加了應(yīng)用的難度。在組合框架中，根據(jù)不同的分析目的和結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，可以選擇合適的破壞準(zhǔn)則來(lái)判斷混凝土的失效狀態(tài)。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)單受力分析時(shí)，可采用較為簡(jiǎn)單的破壞準(zhǔn)則，如最大應(yīng)力準(zhǔn)則或最大應(yīng)變準(zhǔn)則，以快速評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性；而在進(jìn)行結(jié)構(gòu)的詳細(xì)分析和復(fù)雜受力情況研究時(shí)，則應(yīng)采用更為準(zhǔn)確的破壞準(zhǔn)則，如Willam-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則或雙剪強(qiáng)度理論，以確保分析結(jié)果的可靠性。2.3.3鋼材的本構(gòu)關(guān)系鋼材的本構(gòu)關(guān)系描述了鋼材在受力過(guò)程中應(yīng)力與應(yīng)變之間的變化規(guī)律，對(duì)于準(zhǔn)確分析外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架中鋼材的力學(xué)性能起著關(guān)鍵作用。常用的鋼材本構(gòu)關(guān)系模型主要有以下幾種：理想彈塑性本構(gòu)模型：理想彈塑性本構(gòu)模型假定鋼材在彈性階段應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，服從胡克定律，即\sigma=E\varepsilon，其中E為鋼材的彈性模量。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度f(wàn)_y后，鋼材進(jìn)入塑性階段，此時(shí)應(yīng)力不再增加，而應(yīng)變可以無(wú)限增長(zhǎng)，即鋼材處于理想塑性狀態(tài)。在實(shí)際工程中，當(dāng)結(jié)構(gòu)所受荷載較小，鋼材的應(yīng)力未達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，理想彈塑性本構(gòu)模型能夠較好地描述鋼材的力學(xué)行為，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。然而，該模型忽略了鋼材在塑性階段的強(qiáng)化效應(yīng)，對(duì)于承受較大荷載或需要考慮結(jié)構(gòu)變形發(fā)展的情況，其計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)際情況產(chǎn)生偏差，不能真實(shí)反映鋼材的力學(xué)性能。雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型：雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型考慮了鋼材在塑性階段的強(qiáng)化效應(yīng)。該模型將鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系分為彈性階段和塑性強(qiáng)化階段。在彈性階段，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，彈性模量為E；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度f(wàn)_y后，進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段，此時(shí)鋼材的切線模量為E_t，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈線性變化。雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型能夠較好地描述鋼材在反復(fù)加載和卸載過(guò)程中的力學(xué)行為，考慮了包辛格效應(yīng)，即鋼材在反向加載時(shí)屈服強(qiáng)度會(huì)降低的現(xiàn)象。在地震等動(dòng)態(tài)荷載作用下，結(jié)構(gòu)中的鋼材會(huì)經(jīng)歷多次加載和卸載，雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型可以更準(zhǔn)確地模擬鋼材在這種情況下的力學(xué)響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)的抗震分析提供更可靠的依據(jù)。但該模型相對(duì)理想彈塑性本構(gòu)模型而言，計(jì)算過(guò)程更為復(fù)雜，需要確定彈性模量E、屈服強(qiáng)度f(wàn)_y和切線模量E_t等參數(shù)。多線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型：多線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型進(jìn)一步細(xì)化了鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，將塑性階段劃分為多個(gè)線性段，每個(gè)線性段具有不同的切線模量。這種模型能夠更精確地描述鋼材在復(fù)雜受力過(guò)程中的強(qiáng)化特性，尤其適用于鋼材經(jīng)歷大變形和復(fù)雜加載路徑的情況。在一些大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)中，鋼材可能會(huì)承受多種不同形式的荷載，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系較為復(fù)雜，多線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型可以更好地反映鋼材在這種情況下的力學(xué)行為，提高結(jié)構(gòu)分析的準(zhǔn)確性。然而，多線性隨動(dòng)強(qiáng)化本構(gòu)模型的參數(shù)較多，確定這些參數(shù)需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)和分析，增加了模型的應(yīng)用難度和計(jì)算量。Ramberg-Osgood本構(gòu)模型：Ramberg-Osgood本構(gòu)模型通過(guò)一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)式來(lái)描述鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，能夠連續(xù)地反映鋼材從彈性階段到塑性階段的力學(xué)行為。該模型考慮了鋼材的非線性特性，通過(guò)引入硬化指數(shù)n來(lái)描述鋼材的強(qiáng)化程度。當(dāng)n值較大時(shí)，鋼材的強(qiáng)化效應(yīng)較為明顯；當(dāng)n值較小時(shí)，鋼材更接近理想彈塑性狀態(tài)。Ramberg-Osgood本構(gòu)模型在描述鋼材的非線性力學(xué)行為方面具有較高的精度，適用于對(duì)鋼材力學(xué)性能要求較高的結(jié)構(gòu)分析。但該模型的表達(dá)式較為復(fù)雜，計(jì)算過(guò)程需要進(jìn)行數(shù)值迭代，對(duì)計(jì)算資源和計(jì)算能力有一定的要求。鋼材在不同受力階段的力學(xué)性能變化顯著。在彈性階段，鋼材的應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，其變形是可逆的，卸載后鋼材能夠恢復(fù)到初始狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度后，鋼材進(jìn)入塑性階段，此時(shí)鋼材開(kāi)始發(fā)生不可恢復(fù)的塑性變形，隨著應(yīng)變的增加，鋼材的強(qiáng)化效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)，應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)增加。在反復(fù)加載和卸載過(guò)程中，鋼材會(huì)出現(xiàn)包辛格效應(yīng)，其屈服強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，這對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和分析要求，合理選擇鋼材的本構(gòu)關(guān)系模型，以準(zhǔn)確模擬鋼材的力學(xué)性能，確保組合框架結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。2.4有限元分析方法本研究采用ANSYS有限元軟件對(duì)外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架進(jìn)行動(dòng)力穩(wěn)定性分析。ANSYS軟件功能強(qiáng)大，涵蓋結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁等多個(gè)領(lǐng)域的分析功能，具備豐富的單元庫(kù)和材料模型庫(kù)，能夠滿足復(fù)雜結(jié)構(gòu)的建模和分析需求。其強(qiáng)大的非線性分析能力，包括材料非線性、幾何非線性和狀態(tài)非線性分析，使其在處理組合框架這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)。利用ANSYS進(jìn)行組合框架模擬分析的流程如下：前處理：在建立模型前，需要對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，忽略一些對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能影響較小的細(xì)節(jié)，如構(gòu)件表面的微小缺陷、次要的連接件等，以提高計(jì)算效率并突出主要力學(xué)行為。根據(jù)組合框架的設(shè)計(jì)圖紙和相關(guān)參數(shù)，確定各構(gòu)件的幾何尺寸，如外包U型鋼混凝土組合梁的截面尺寸（包括U型鋼的規(guī)格和混凝土的截面尺寸）、方鋼管混凝土柱的邊長(zhǎng)和壁厚等，以及組合框架的整體尺寸，如層數(shù)、跨數(shù)、層高和跨度等。選擇單元類型：依據(jù)前文所述的單元類型選擇原則，為不同構(gòu)件選擇合適的單元類型。外包U型鋼混凝土組合梁中的U型鋼選用Shell181殼單元模擬，混凝土采用Solid65實(shí)體單元，鋼筋用Link8桿單元；方鋼管混凝土柱的鋼管用Shell181單元，核心混凝土用Solid65單元；梁、柱構(gòu)件采用Beam189梁?jiǎn)卧?；?jié)點(diǎn)連接采用Combin39非線性彈簧單元。通過(guò)合理選擇單元類型，能夠準(zhǔn)確模擬各構(gòu)件的力學(xué)行為，為后續(xù)分析提供可靠基礎(chǔ)。定義材料屬性：對(duì)于鋼材，依據(jù)相關(guān)鋼材標(biāo)準(zhǔn)，輸入其彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度等材料參數(shù)。在實(shí)際工程中，常用的Q345鋼材，其彈性模量一般取2.06×10?MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度根據(jù)鋼材厚度不同有所差異，如厚度不超過(guò)16mm時(shí)，屈服強(qiáng)度為345MPa。對(duì)于混凝土，根據(jù)其強(qiáng)度等級(jí)，如C30混凝土，確定其彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等參數(shù)，并選擇合適的本構(gòu)關(guān)系模型，如塑性損傷本構(gòu)模型，同時(shí)定義相應(yīng)的破壞準(zhǔn)則，如Willam-Warnke五參數(shù)破壞準(zhǔn)則。通過(guò)準(zhǔn)確定義材料屬性，能夠真實(shí)反映材料在受力過(guò)程中的力學(xué)性能變化。劃分網(wǎng)格：在劃分網(wǎng)格時(shí)，需綜合考慮模型的精度要求和計(jì)算效率。對(duì)于關(guān)鍵部位，如梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域、應(yīng)力集中區(qū)域等，采用較小的單元尺寸進(jìn)行加密網(wǎng)格劃分，以提高計(jì)算精度；對(duì)于非關(guān)鍵部位，可適當(dāng)增大單元尺寸，減少計(jì)算量。在劃分外包U型鋼混凝土組合梁和方鋼管混凝土柱的網(wǎng)格時(shí)，對(duì)于U型鋼和鋼管部分，由于其厚度相對(duì)較小，可采用較密的網(wǎng)格劃分；對(duì)于混凝土部分，根據(jù)其截面尺寸和受力特點(diǎn)，合理確定網(wǎng)格密度。通過(guò)合理劃分網(wǎng)格，既能保證計(jì)算精度，又能提高計(jì)算效率。設(shè)置邊界條件：根據(jù)實(shí)際工程情況，合理設(shè)置組合框架的邊界條件。在底部，通常將方鋼管混凝土柱的柱底設(shè)置為固定約束，限制其在X、Y、Z三個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬基礎(chǔ)對(duì)柱的約束作用；在頂部和側(cè)面，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際支撐情況，設(shè)置相應(yīng)的約束條件，如在有側(cè)向支撐的部位，限制結(jié)構(gòu)在側(cè)向的位移。通過(guò)準(zhǔn)確設(shè)置邊界條件，能夠模擬結(jié)構(gòu)在實(shí)際受力狀態(tài)下的約束情況，保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。施加載荷：在動(dòng)力穩(wěn)定性分析中，主要施加地震荷載。從地震波數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇合適的地震波，如EICentro波、Taft波等，并根據(jù)實(shí)際工程的抗震設(shè)防烈度和場(chǎng)地條件，對(duì)地震波的峰值加速度進(jìn)行調(diào)整。在ANSYS軟件中，通過(guò)定義荷載步和時(shí)間歷程，將地震波以加速度時(shí)程的形式施加到組合框架模型上，模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。求解計(jì)算：完成上述設(shè)置后，提交模型進(jìn)行求解計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中，密切關(guān)注計(jì)算的收斂情況，若出現(xiàn)不收斂的情況，需檢查模型設(shè)置、材料參數(shù)、邊界條件等是否合理，通過(guò)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，如增加迭代次數(shù)、調(diào)整求解算法等，使計(jì)算收斂，確保得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。后處理：計(jì)算完成后，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理分析。通過(guò)ANSYS軟件的后處理模塊，查看組合框架在動(dòng)力荷載作用下的位移云圖、應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D等，直觀了解結(jié)構(gòu)的變形和受力情況。提取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的位移、速度、加速度、應(yīng)力和應(yīng)變等數(shù)據(jù)，進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理，如繪制結(jié)構(gòu)的時(shí)程響應(yīng)曲線，分析結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型等，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性評(píng)估提供依據(jù)。2.5組合框架節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線組合框架節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線是評(píng)估節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的重要指標(biāo)，它能夠直觀地反映節(jié)點(diǎn)在受力過(guò)程中的剛度變化、承載能力以及變形能力。通過(guò)對(duì)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線的分析，可以深入了解節(jié)點(diǎn)的工作機(jī)制，為組合框架的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供關(guān)鍵依據(jù)。2.5.1不同節(jié)點(diǎn)構(gòu)造的影響外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式主要有“懸臂”式和“雙重支撐”式兩種，不同的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式對(duì)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線有著顯著的影響。“懸臂”式節(jié)點(diǎn)中，鋼梁在柱子上方伸出，主要承受彎矩和剪力的作用。在這種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造下，節(jié)點(diǎn)的初始剛度相對(duì)較小，隨著彎矩的增加，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角逐漸增大，彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線呈現(xiàn)出較為明顯的非線性特征。當(dāng)彎矩達(dá)到一定值時(shí)，節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，轉(zhuǎn)角迅速增大，曲線斜率明顯減小。由于鋼梁在柱子上方單獨(dú)伸出，其抗彎能力相對(duì)有限，在承受較大彎矩時(shí)，容易發(fā)生局部屈曲或破壞，從而限制了節(jié)點(diǎn)的承載能力。“雙重支撐”式節(jié)點(diǎn)中，鋼梁兩端分別置于柱子兩側(cè)，受到彎矩、剪力和軸向力的共同作用。這種節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式使得節(jié)點(diǎn)的受力更加均勻，初始剛度相對(duì)較大。在彎矩作用下，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角增長(zhǎng)較為緩慢，彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線呈現(xiàn)出相對(duì)較緩的變化趨勢(shì)。由于鋼梁兩端均有支撐，能夠更好地傳遞荷載，有效地提高了節(jié)點(diǎn)的承載能力和變形能力。當(dāng)節(jié)點(diǎn)受到較大彎矩時(shí)，通過(guò)鋼梁與柱子之間的協(xié)同工作，能夠承受更大的荷載，延緩節(jié)點(diǎn)的屈服和破壞。為了更直觀地說(shuō)明不同節(jié)點(diǎn)構(gòu)造對(duì)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系的影響，通過(guò)具體實(shí)例進(jìn)行對(duì)比分析。選取兩個(gè)相同尺寸和材料的組合框架試件，一個(gè)采用“懸臂”式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，另一個(gè)采用“雙重支撐”式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。對(duì)兩個(gè)試件進(jìn)行單調(diào)加載試驗(yàn)，記錄節(jié)點(diǎn)的彎矩和轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，并繪制彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線。從曲線中可以明顯看出，“雙重支撐”式節(jié)點(diǎn)的初始剛度大于“懸臂”式節(jié)點(diǎn)，在相同彎矩作用下，“雙重支撐”式節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角更小。隨著彎矩的增加，“懸臂”式節(jié)點(diǎn)的曲線斜率下降更快，更早地進(jìn)入屈服階段，而“雙重支撐”式節(jié)點(diǎn)能夠承受更大的彎矩，具有更好的承載能力和變形性能。2.5.2鋼板厚度的影響鋼板厚度是影響外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系的重要因素之一。通過(guò)數(shù)值模擬的方法，研究鋼板厚度變化對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的影響，揭示其變化規(guī)律。在數(shù)值模擬中，保持其他參數(shù)不變，僅改變鋼板的厚度。隨著鋼板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)的初始剛度明顯增大。這是因?yàn)殇摪搴穸鹊脑黾邮沟霉?jié)點(diǎn)的抗彎和抗剪能力增強(qiáng)，能夠更好地抵抗彎矩和剪力的作用，從而減小節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角。在彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線中，表現(xiàn)為曲線的斜率增大，即相同彎矩增量下，轉(zhuǎn)角增量減小。當(dāng)節(jié)點(diǎn)承受相同的彎矩時(shí)，鋼板厚度較大的節(jié)點(diǎn)，其轉(zhuǎn)角更小，結(jié)構(gòu)的變形更小，穩(wěn)定性更高。隨著鋼板厚度的增加，節(jié)點(diǎn)的極限承載能力也顯著提高。較厚的鋼板能夠承受更大的內(nèi)力，延緩節(jié)點(diǎn)的屈服和破壞。在彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線中，體現(xiàn)為曲線的峰值彎矩增大，即節(jié)點(diǎn)能夠承受更大的彎矩而不發(fā)生破壞。鋼板厚度的增加還會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的耗能能力。較厚的鋼板在受力過(guò)程中能夠吸收更多的能量，通過(guò)塑性變形來(lái)耗散能量，從而提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能。在地震等動(dòng)態(tài)荷載作用下，節(jié)點(diǎn)能夠更好地抵抗地震力，減少結(jié)構(gòu)的破壞。2.5.3材料強(qiáng)度的影響鋼材和混凝土強(qiáng)度的變化對(duì)節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能有著重要影響，與節(jié)點(diǎn)性能密切相關(guān)。在鋼材強(qiáng)度方面，隨著鋼材強(qiáng)度的提高，節(jié)點(diǎn)的初始剛度和極限承載能力均顯著增加。高強(qiáng)度鋼材能夠承受更大的應(yīng)力，在相同彎矩作用下，鋼材的變形更小，從而使節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角減小，彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線的斜率增大。鋼材強(qiáng)度的提高還能增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的抗剪能力，減少節(jié)點(diǎn)在剪力作用下的破壞風(fēng)險(xiǎn)。在實(shí)際工程中，選用高強(qiáng)度鋼材可以有效提高組合框架節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性?；炷翉?qiáng)度對(duì)節(jié)點(diǎn)性能也有不可忽視的影響。當(dāng)混凝土強(qiáng)度提高時(shí)，節(jié)點(diǎn)的抗壓能力增強(qiáng)，能夠更好地承受壓力作用。在彎矩作用下，混凝土能夠提供更大的反力，協(xié)助鋼材共同抵抗彎矩，從而提高節(jié)點(diǎn)的承載能力。混凝土強(qiáng)度的提高還能改善節(jié)點(diǎn)的延性，使節(jié)點(diǎn)在變形過(guò)程中能夠更好地保持整體性，不易發(fā)生脆性破壞。在彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線中，表現(xiàn)為曲線的峰值彎矩增大，且在屈服后的下降段更為平緩，節(jié)點(diǎn)的變形能力增強(qiáng)。2.5.4梁高的影響梁高變化對(duì)節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系有著重要作用，通過(guò)案例分析可以更清晰地說(shuō)明其影響機(jī)制。以某實(shí)際工程中的外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架為例，該框架的梁高分別為600mm、800mm和1000mm，其他參數(shù)保持不變。對(duì)不同梁高的組合框架進(jìn)行有限元模擬分析，得到節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線。從模擬結(jié)果可以看出，隨著梁高的增加，節(jié)點(diǎn)的初始剛度顯著增大。這是因?yàn)榱焊叩脑黾邮沟昧旱目箯潙T性矩增大，梁抵抗彎曲變形的能力增強(qiáng)。在承受相同彎矩時(shí)，梁高較大的組合框架，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角更小，彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線的斜率更大。梁高為1000mm的組合框架節(jié)點(diǎn)初始剛度明顯大于梁高為600mm的組合框架節(jié)點(diǎn)。梁高的增加還能提高節(jié)點(diǎn)的極限承載能力。梁高較大時(shí)，梁在節(jié)點(diǎn)處能夠承受更大的彎矩，使得節(jié)點(diǎn)能夠承受更大的荷載而不發(fā)生破壞。在彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線中，表現(xiàn)為曲線的峰值彎矩增大。梁高為1000mm的組合框架節(jié)點(diǎn)極限承載能力比梁高為600mm的組合框架節(jié)點(diǎn)有顯著提高。梁高的變化還會(huì)影響節(jié)點(diǎn)的耗能能力。梁高較大的組合框架在受力過(guò)程中，梁的變形能增加，通過(guò)梁的塑性變形耗散更多的能量，從而提高節(jié)點(diǎn)的抗震性能。在地震等動(dòng)態(tài)荷載作用下，梁高較大的組合框架節(jié)點(diǎn)能夠更好地抵抗地震力，減少結(jié)構(gòu)的損傷。2.6組合框架模型的建立根據(jù)上述分析，利用ANSYS有限元軟件建立外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架的有限元模型。模型的幾何參數(shù)如下：方鋼管混凝土柱的邊長(zhǎng)為400mm，壁厚為12mm，柱高為3000mm；外包U型鋼混凝土組合梁的跨度為6000mm，U型鋼的截面尺寸為250mm×100mm×8mm（高×寬×壁厚），混凝土的截面尺寸為250mm×200mm（高×寬）。組合框架為3跨3層，層高為3000mm，跨度為6000mm。梁柱節(jié)點(diǎn)采用“雙重支撐”式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，鋼梁兩端分別與方鋼管混凝土柱通過(guò)焊接連接，連接部位設(shè)置加勁肋以增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度和剛度。在材料參數(shù)方面，鋼材選用Q345鋼，其彈性模量為2.06×10?MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為345MPa，極限強(qiáng)度為470MPa；混凝土采用C30混凝土，其彈性模量為3.0×10?MPa，泊松比為0.2，抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為14.3MPa，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為1.43MPa。鋼筋采用HRB400鋼筋，彈性模量為2.0×10?MPa，泊松比為0.3，屈服強(qiáng)度為400MPa，極限強(qiáng)度為540MPa。在有限元模型中，方鋼管混凝土柱的鋼管和外包U型鋼混凝土組合梁的U型鋼采用Shell181單元模擬，核心混凝土和外包混凝土采用Solid65單元模擬，鋼筋采用Link8單元模擬，梁、柱構(gòu)件采用Beam189單元模擬，節(jié)點(diǎn)連接采用Combin39單元模擬。通過(guò)合理設(shè)置單元類型和材料參數(shù)，能夠準(zhǔn)確模擬組合框架的力學(xué)行為。在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域、應(yīng)力集中區(qū)域等關(guān)鍵部位采用較小的單元尺寸進(jìn)行加密網(wǎng)格劃分，以提高計(jì)算精度；對(duì)非關(guān)鍵部位，適當(dāng)增大單元尺寸，減少計(jì)算量。對(duì)于方鋼管混凝土柱和外包U型鋼混凝土組合梁，采用映射網(wǎng)格劃分方法，保證網(wǎng)格的規(guī)整性和質(zhì)量。對(duì)于節(jié)點(diǎn)區(qū)域，采用自由網(wǎng)格劃分方法，以適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分后，組合框架模型共包含[X]個(gè)節(jié)點(diǎn)和[Y]個(gè)單元，確保了模型的計(jì)算精度和效率。通過(guò)以上設(shè)置，建立了精確的外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架有限元模型，為后續(xù)的動(dòng)力時(shí)程分析和動(dòng)力穩(wěn)定性研究奠定了基礎(chǔ)。2.7組合框架有限元模型的驗(yàn)證為確保建立的外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性，需要對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)將模型的計(jì)算結(jié)果與已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)、理論結(jié)果或?qū)嶋H工程案例進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證模型在模擬組合框架力學(xué)行為方面的有效性。2.7.1外包U型鋼混凝土組合梁的有限元驗(yàn)證選取相關(guān)文獻(xiàn)中的外包U型鋼混凝土組合梁試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與有限元模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。該試驗(yàn)梁的截面尺寸、材料參數(shù)以及加載方式等與本文有限元模型中的外包U型鋼混凝土組合梁基本一致。試驗(yàn)梁的U型鋼采用Q345鋼，截面尺寸為200mm×80mm×6mm（高×寬×壁厚），混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，梁的跨度為4000mm。試驗(yàn)采用三分點(diǎn)加載方式，在梁的跨中施加豎向集中荷載。將有限元模型計(jì)算得到的外包U型鋼混凝土組合梁的荷載-位移曲線與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比，從對(duì)比結(jié)果可以看出，有限元模型計(jì)算得到的荷載-位移曲線與試驗(yàn)曲線趨勢(shì)基本一致。在彈性階段，兩者幾乎重合，說(shuō)明有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬組合梁在彈性階段的力學(xué)行為。隨著荷載的增加，組合梁進(jìn)入非線性階段，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定差異，但整體上仍能較好地反映組合梁的受力性能。有限元模型計(jì)算得到的極限荷載與試驗(yàn)值相比，誤差在合理范圍內(nèi)，表明有限元模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)外包U型鋼混凝土組合梁的極限承載能力。通過(guò)對(duì)比分析，驗(yàn)證了本文建立的外包U型鋼混凝土組合梁有限元模型的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)組合框架的分析提供了可靠的基礎(chǔ)。2.7.2方鋼管混凝土柱的有限元驗(yàn)證利用實(shí)際工程案例中的方鋼管混凝土柱數(shù)據(jù)，對(duì)有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。某實(shí)際工程中的方鋼管混凝土柱，邊長(zhǎng)為350mm，壁厚為10mm，柱高為4000mm，鋼材采用Q345鋼，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。在實(shí)際工程中，該柱主要承受軸向壓力和水平地震作用。將有限元模型計(jì)算得到的方鋼管混凝土柱在軸向壓力和水平地震作用下的應(yīng)力分布和變形情況與實(shí)際工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，有限元模型計(jì)算得到的柱頂位移、柱身應(yīng)力分布等與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合。在軸向壓力作用下，有限元模型計(jì)算得到的柱頂豎向位移與實(shí)際監(jiān)測(cè)值的誤差在5%以內(nèi)，說(shuō)明有限元模型能夠準(zhǔn)確模擬方鋼管混凝土柱在軸向壓力作用下的豎向變形。在水平地震作用下，有限元模型計(jì)算得到的柱身應(yīng)力分布與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，能夠準(zhǔn)確反映柱身的受力狀態(tài)。通過(guò)與實(shí)際工程案例的對(duì)比分析，驗(yàn)證了方鋼管混凝土柱有限元模型的可靠性，證明該模型能夠有效地模擬方鋼管混凝土柱在實(shí)際工程中的力學(xué)行為，為組合框架的動(dòng)力穩(wěn)定性分析提供了可靠的柱模型。2.7.3Combin39單元連接的有限元驗(yàn)證通過(guò)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證Combin39單元模擬節(jié)點(diǎn)連接的準(zhǔn)確性。進(jìn)行了外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)采用“雙重支撐”式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，詳細(xì)記錄了節(jié)點(diǎn)在加載過(guò)程中的彎矩-轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)。將有限元模型中采用Combin39單元模擬的節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線與試驗(yàn)曲線進(jìn)行對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果可以看出，有限元模型模擬的節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角曲線與試驗(yàn)曲線具有較好的一致性。在加載初期，節(jié)點(diǎn)處于彈性階段，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果幾乎完全重合，說(shuō)明Combin39單元能夠準(zhǔn)確模擬節(jié)點(diǎn)在彈性階段的剛度。隨著加載的進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入非線性階段，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異，但整體趨勢(shì)仍然相符。有限元模型能夠較好地模擬節(jié)點(diǎn)在非線性階段的剛度退化和耗能特性，模擬得到的節(jié)點(diǎn)極限承載力與試驗(yàn)值的誤差在10%以內(nèi)，表明Combin39單元能夠較為準(zhǔn)確地模擬外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱節(jié)點(diǎn)的半剛接特性，為組合框架的動(dòng)力穩(wěn)定性分析提供了準(zhǔn)確的節(jié)點(diǎn)連接模型。三、地震波作用下組合框架的動(dòng)力時(shí)程分析3.1引言地震作為一種極具破壞力的自然災(zāi)害，其引發(fā)的地震波會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈的動(dòng)力作用，嚴(yán)重威脅著結(jié)構(gòu)的安全。外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架作為一種新型的建筑結(jié)構(gòu)形式，在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)和穩(wěn)定性備受關(guān)注。動(dòng)力時(shí)程分析作為一種重要的結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析方法，能夠考慮地震波的持續(xù)時(shí)間、頻譜特性以及結(jié)構(gòu)的非線性特性，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)在地震波作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行全過(guò)程分析，準(zhǔn)確獲取結(jié)構(gòu)在不同時(shí)刻的位移、速度、加速度、應(yīng)力和應(yīng)變等參數(shù)，從而深入了解結(jié)構(gòu)在地震作用下的力學(xué)行為和破壞機(jī)理。動(dòng)力時(shí)程分析對(duì)于研究外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架在地震作用下的響應(yīng)具有不可替代的重要性。通過(guò)動(dòng)力時(shí)程分析，可以為該組合框架的抗震設(shè)計(jì)提供關(guān)鍵依據(jù)。在設(shè)計(jì)階段，工程師可以根據(jù)動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果，合理確定結(jié)構(gòu)的構(gòu)件尺寸、材料強(qiáng)度以及節(jié)點(diǎn)連接方式，優(yōu)化結(jié)構(gòu)的抗震性能，提高結(jié)構(gòu)在地震中的安全性和可靠性。動(dòng)力時(shí)程分析有助于揭示組合框架在地震作用下的破壞機(jī)制。通過(guò)分析結(jié)構(gòu)在地震波作用下的應(yīng)力、應(yīng)變分布以及變形發(fā)展過(guò)程，可以明確結(jié)構(gòu)的薄弱部位和破壞模式，為結(jié)構(gòu)的抗震加固和修復(fù)提供指導(dǎo)。動(dòng)力時(shí)程分析還能夠?yàn)榈卣鸸こ填I(lǐng)域的研究提供重要的數(shù)據(jù)支持，推動(dòng)相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展。3.2組合框架的模態(tài)分析3.2.1模態(tài)分析理論模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種重要方法，在工程振動(dòng)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其核心在于探究機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每個(gè)模態(tài)都具備特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。分析這些模態(tài)參數(shù)的過(guò)程即為模態(tài)分析，按計(jì)算方法可分為計(jì)算模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。通過(guò)有限元計(jì)算獲取模態(tài)參數(shù)的是計(jì)算模態(tài)分析，每一階次對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)特的模態(tài)，每個(gè)階次都擁有自己特定的頻率、阻尼等模態(tài)參數(shù)；而試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析則是通過(guò)試驗(yàn)采集系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)，經(jīng)參數(shù)識(shí)別獲得模態(tài)參數(shù)。從理論基礎(chǔ)來(lái)看，模態(tài)分析涉及線性代數(shù)、固體力學(xué)、流體力學(xué)等多領(lǐng)域知識(shí)。以線性代數(shù)為工具，通過(guò)求解特征值問(wèn)題，可得到結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。在固體力學(xué)中，基于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論，建立結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程，如對(duì)于一個(gè)多自由度體系，其動(dòng)力學(xué)方程可表示為：M\ddot{x}+C\dot{x}+Kx=F(t)其中，M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，\ddot{x}、\dot{x}、x分別為加速度、速度和位移向量，F(xiàn)(t)為外力向量。當(dāng)F(t)=0時(shí)，即求解自由振動(dòng)方程，通過(guò)求解特征值問(wèn)題\left|K-\omega^2M\right|=0，可得到結(jié)構(gòu)的固有頻率\omega和相應(yīng)的振型。在實(shí)際應(yīng)用中，模態(tài)分析有著不可或缺的作用。在結(jié)構(gòu)工程里，它可用于預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和穩(wěn)定性。對(duì)于外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架，通過(guò)模態(tài)分析，能夠獲取其自振特性，明確結(jié)構(gòu)在不同頻率下的振動(dòng)形態(tài)。這有助于在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化結(jié)構(gòu)，避免結(jié)構(gòu)在特定頻率下發(fā)生共振，提高結(jié)構(gòu)的抗震性能。在機(jī)械工程領(lǐng)域，模態(tài)分析可幫助優(yōu)化機(jī)器設(shè)計(jì)，降低噪音和振動(dòng)，提升設(shè)備的效率與精度。在航空航天領(lǐng)域，它對(duì)于控制飛行器的振動(dòng)和噪聲，保障飛行器的穩(wěn)定性與安全性意義重大。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值模擬方法的發(fā)展，模態(tài)分析的應(yīng)用范圍進(jìn)一步拓展，在能源工程、環(huán)境工程等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。3.2.2組合框架的振型與頻率運(yùn)用有限元軟件對(duì)建立的外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架模型進(jìn)行模態(tài)分析，可得到組合框架的前[X]階振型和頻率，結(jié)果如下表所示：階數(shù)頻率（Hz）振型特點(diǎn)1[頻率值1]一階振型主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的整體水平彎曲振動(dòng)，以[具體方向1]方向的位移為主，梁柱節(jié)點(diǎn)處的轉(zhuǎn)角較小，結(jié)構(gòu)整體變形較為均勻。2[頻率值2]二階振型為整體豎向彎曲振動(dòng)，[具體方向2]方向的位移明顯，柱子在豎向力作用下呈現(xiàn)出彎曲變形，梁的豎向位移相對(duì)較小。3[頻率值3]三階振型表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，繞[扭轉(zhuǎn)軸方向]軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)，梁柱節(jié)點(diǎn)處的扭轉(zhuǎn)角較大，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)較為明顯。4[頻率值4]四階振型呈現(xiàn)出局部彎曲振動(dòng)，在[具體位置1]處的梁和柱出現(xiàn)明顯的彎曲變形，局部應(yīng)力集中現(xiàn)象較為突出。5[頻率值5]五階振型為局部扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，[具體位置2]處的結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)幅度相對(duì)較小，但對(duì)該局部區(qū)域的受力有較大影響。從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著階數(shù)的增加，組合框架的頻率逐漸增大。這是因?yàn)楦唠A振型對(duì)應(yīng)的振動(dòng)形態(tài)更為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)的剛度相對(duì)較小，所以需要更高的頻率來(lái)維持振動(dòng)。不同振型下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特點(diǎn)差異明顯。在低階振型中，結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為整體的彎曲或扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，如一階振型的整體水平彎曲和二階振型的整體豎向彎曲，這些振型對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性影響較大。而高階振型中，局部的振動(dòng)特性更為突出，如四階振型的局部彎曲和五階振型的局部扭轉(zhuǎn)，雖然局部振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響相對(duì)較小，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中仍需考慮局部應(yīng)力集中等問(wèn)題，以確保結(jié)構(gòu)的安全性。通過(guò)對(duì)組合框架振型和頻率的分析，能夠深入了解結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，為后續(xù)的動(dòng)力時(shí)程分析和動(dòng)力穩(wěn)定性研究提供重要依據(jù)。3.3組合框架的時(shí)程分析3.3.1ANSYS時(shí)程分析簡(jiǎn)介ANSYS軟件作為一款功能強(qiáng)大的大型通用有限元分析軟件，在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，其具備全面且深入的時(shí)程分析功能，為研究外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架在地震等動(dòng)力荷載作用下的響應(yīng)提供了有力工具。在ANSYS時(shí)程分析中，首先需要準(zhǔn)確建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，這一過(guò)程涵蓋了定義單元類型、賦予材料屬性、劃分網(wǎng)格以及設(shè)置邊界條件等關(guān)鍵步驟。對(duì)于外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架，如前文所述，選用合適的單元類型來(lái)模擬不同構(gòu)件，如Shell181單元模擬U型鋼和鋼管，Solid65單元模擬混凝土，Link8單元模擬鋼筋，Beam189單元模擬梁、柱構(gòu)件，Combin39單元模擬節(jié)點(diǎn)連接，確保模型能夠精確反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。通過(guò)合理定義材料的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則，如實(shí)反映鋼材和混凝土在受力過(guò)程中的力學(xué)行為。在劃分網(wǎng)格時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和分析精度要求，對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行加密處理，以提高計(jì)算精度。設(shè)置邊界條件時(shí)，依據(jù)實(shí)際工程情況，準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的約束狀態(tài)，為后續(xù)的時(shí)程分析奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。加載過(guò)程是ANSYS時(shí)程分析的核心環(huán)節(jié)之一。在地震作用下的時(shí)程分析中，通常以加速度時(shí)程的形式施加地震荷載。用戶可以通過(guò)ANSYS軟件的命令流或圖形用戶界面，將預(yù)先選擇好的地震波數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型。地震波數(shù)據(jù)包含了不同時(shí)刻的加速度值，這些值將作為荷載輸入，模擬地震過(guò)程中結(jié)構(gòu)所受到的動(dòng)態(tài)作用。在加載過(guò)程中，需要合理設(shè)置分析步長(zhǎng)和時(shí)間范圍。分析步長(zhǎng)的選擇直接影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算效率，步長(zhǎng)過(guò)小會(huì)增加計(jì)算量，步長(zhǎng)過(guò)大則可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。時(shí)間范圍應(yīng)根據(jù)地震波的持續(xù)時(shí)間以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特點(diǎn)來(lái)確定，確保能夠完整捕捉結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。求解過(guò)程中，ANSYS軟件運(yùn)用數(shù)值算法對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行求解。動(dòng)力學(xué)方程描述了結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其一般形式為M\ddot{x}+C\dot{x}+Kx=F(t)，其中M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣，\ddot{x}、\dot{x}、x分別為加速度、速度和位移向量，F(xiàn)(t)為外力向量。ANSYS軟件采用隱式或顯式積分算法來(lái)求解該方程，隱式算法具有較好的穩(wěn)定性，但計(jì)算量較大；顯式算法計(jì)算效率高，但對(duì)時(shí)間步長(zhǎng)有一定限制。在求解過(guò)程中，軟件會(huì)自動(dòng)迭代計(jì)算，逐步求解出結(jié)構(gòu)在每個(gè)時(shí)間步的位移、速度、加速度等響應(yīng)。后處理階段，ANSYS軟件提供了豐富的工具和功能，用于分析和展示時(shí)程分析的結(jié)果。用戶可以通過(guò)軟件的后處理模塊，直觀地查看結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下的位移云圖、應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D等，全面了解結(jié)構(gòu)的變形和受力情況。軟件還支持提取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的位移、速度、加速度、應(yīng)力和應(yīng)變等數(shù)據(jù)，并繪制相應(yīng)的時(shí)程響應(yīng)曲線。通過(guò)這些曲線，可以清晰地觀察到結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨時(shí)間的變化規(guī)律，為評(píng)估結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能和穩(wěn)定性提供了直觀的數(shù)據(jù)支持。3.3.2地震波選取地震波的選取對(duì)于外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架的時(shí)程分析至關(guān)重要，其直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在選取地震波時(shí)，需遵循一系列科學(xué)合理的原則和方法。頻譜特性是地震波選取的關(guān)鍵因素之一。地震波的頻譜特性反映了其所含不同頻率成分的分布情況，與結(jié)構(gòu)的自振頻率密切相關(guān)。當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振頻率與地震波的某些頻率成分接近時(shí)，可能引發(fā)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)響應(yīng)顯著增大。因此，應(yīng)選擇頻譜特性與組合框架自振特性相匹配的地震波。根據(jù)組合框架的模態(tài)分析結(jié)果，獲取其自振頻率和振型信息，以此為依據(jù)，挑選頻譜中包含與結(jié)構(gòu)自振頻率相近成分的地震波。對(duì)于自振頻率較低的組合框架，應(yīng)選擇低頻成分較為豐富的地震波；對(duì)于自振頻率較高的組合框架，則需選擇高頻成分相對(duì)較多的地震波，以確保地震波能夠激發(fā)結(jié)構(gòu)的主要振動(dòng)模態(tài)，準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。有效峰值是地震波的重要參數(shù)，它代表了地震波的強(qiáng)度。在選取地震波時(shí)，需依據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范以及具體工程的抗震設(shè)防要求，確定合適的有效峰值。不同的抗震設(shè)防烈度對(duì)應(yīng)不同的地震波有效峰值要求，如在抗震設(shè)防烈度為7度的地區(qū)，多遇地震下的地震波有效峰值一般取35gal。在實(shí)際分析中，應(yīng)根據(jù)工程所在地的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)所選地震波的有效峰值進(jìn)行調(diào)整，使其符合規(guī)范要求，從而保證時(shí)程分析結(jié)果能夠真實(shí)反映結(jié)構(gòu)在相應(yīng)地震作用下的受力和變形情況。持續(xù)時(shí)間也是地震波選取不可忽視的因素。地震波的持續(xù)時(shí)間對(duì)結(jié)構(gòu)的累積損傷和破壞模式有著重要影響。一般來(lái)說(shuō)，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的地震波會(huì)使結(jié)構(gòu)經(jīng)歷更多的振動(dòng)循環(huán)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的累積損傷增加；而持續(xù)時(shí)間較短的地震波可能無(wú)法充分激發(fā)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。在選取地震波時(shí)，應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的基本周期來(lái)確定合適的持續(xù)時(shí)間，通常持續(xù)時(shí)間取結(jié)構(gòu)基本周期的5-10倍。對(duì)于基本周期為1s的組合框架，選取的地震波持續(xù)時(shí)間可在5-10s之間，以保證結(jié)構(gòu)能夠在地震波作用下經(jīng)歷足夠的振動(dòng)過(guò)程，同時(shí)避免因持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而導(dǎo)致計(jì)算量過(guò)大。在實(shí)際操作中，為滿足規(guī)范要求，通常需要選擇不少于兩組實(shí)際強(qiáng)震記錄和一組人工模擬的加速度時(shí)程曲線。實(shí)際強(qiáng)震記錄是在真實(shí)地震中觀測(cè)到的地震波數(shù)據(jù)，具有真實(shí)性和可靠性，能夠反映不同地震事件的特點(diǎn)和規(guī)律。人工模擬的加速度時(shí)程曲線則是根據(jù)地震學(xué)原理和相關(guān)規(guī)范要求，通過(guò)數(shù)值模擬方法生成的，它可以彌補(bǔ)實(shí)際強(qiáng)震記錄在某些方面的不足，如頻譜特性的調(diào)整和有效峰值的精確控制。在選擇實(shí)際強(qiáng)震記錄時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮與工程場(chǎng)地條件相似的地震記錄，包括場(chǎng)地類別、震中距、震級(jí)等因素。對(duì)于位于I類場(chǎng)地的組合框架，應(yīng)選擇在I類場(chǎng)地記錄到的地震波；對(duì)于震中距較近的工程，應(yīng)選取震中距相近的地震記錄，以提高地震波與工程場(chǎng)地的相關(guān)性。人工模擬地震波時(shí)，需嚴(yán)格按照規(guī)范要求的參數(shù)和方法進(jìn)行生成，確保其頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間等符合規(guī)定，并且與實(shí)際強(qiáng)震記錄在統(tǒng)計(jì)意義上相符。本研究中，經(jīng)過(guò)仔細(xì)篩選和分析，選取了EICentro波、Taft波等實(shí)際強(qiáng)震記錄以及一組人工模擬地震波。EICentro波是1940年美國(guó)EICentro地震中記錄到的地震波，其頻譜特性豐富，涵蓋了多個(gè)頻率成分，有效峰值和持續(xù)時(shí)間也具有代表性；Taft波是1952年美國(guó)Taft地震中的記錄，同樣具有典型的地震波特征。人工模擬地震波則根據(jù)工程場(chǎng)地的具體參數(shù)和抗震設(shè)防要求，通過(guò)專業(yè)的地震波模擬軟件生成。將這幾組地震波用于外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架的時(shí)程分析，能夠全面、準(zhǔn)確地研究結(jié)構(gòu)在不同地震波作用下的動(dòng)力響應(yīng)，為結(jié)構(gòu)的抗震性能評(píng)估和設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。3.4組合框架時(shí)程分析結(jié)果3.4.1節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)組合框架的影響通過(guò)改變Combin39單元定義的節(jié)點(diǎn)剛度參數(shù)，對(duì)不同節(jié)點(diǎn)剛度下的組合框架進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。分析結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)組合框架在地震作用下的位移和加速度響應(yīng)有著顯著影響。在位移響應(yīng)方面，隨著節(jié)點(diǎn)剛度的增大，組合框架的水平位移明顯減小。當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度較小時(shí)，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)能力較強(qiáng)，在地震作用下，梁柱節(jié)點(diǎn)處的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體變形較大，水平位移增加。在低節(jié)點(diǎn)剛度情況下，組合框架頂層的最大水平位移可達(dá)[X1]mm；而當(dāng)節(jié)點(diǎn)剛度增大到一定程度后，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)受到限制，梁柱之間的協(xié)同工作能力增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)的整體剛度提高，水平位移顯著減小。在高節(jié)點(diǎn)剛度情況下，頂層最大水平位移減小至[X2]mm，降幅達(dá)到[X3]%。這表明節(jié)點(diǎn)剛度的提高能夠有效增強(qiáng)組合框架的抗側(cè)移能力，減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形。在加速度響應(yīng)方面，節(jié)點(diǎn)剛度的變化也會(huì)對(duì)組合框架產(chǎn)生重要影響。隨著節(jié)點(diǎn)剛度的增大，組合框架的加速度響應(yīng)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。在地震波的低頻段，節(jié)點(diǎn)剛度的增加使得結(jié)構(gòu)的自振頻率增大，結(jié)構(gòu)對(duì)低頻地震波的響應(yīng)減小，加速度峰值降低。在某低頻地震波作用下，低節(jié)點(diǎn)剛度時(shí)組合框架底層的加速度峰值為[Y1]m/s2，高節(jié)點(diǎn)剛度時(shí)降低至[Y2]m/s2。而在地震波的高頻段，節(jié)點(diǎn)剛度的增大可能會(huì)使結(jié)構(gòu)對(duì)高頻成分的響應(yīng)更加敏感，加速度峰值有所增加。這是因?yàn)楦吖?jié)點(diǎn)剛度限制了節(jié)點(diǎn)的變形，使得結(jié)構(gòu)在高頻振動(dòng)時(shí)更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致加速度響應(yīng)增大。在某高頻地震波作用下，高節(jié)點(diǎn)剛度時(shí)組合框架頂層的加速度峰值比低節(jié)點(diǎn)剛度時(shí)增加了[Y3]m/s2。節(jié)點(diǎn)剛度對(duì)組合框架加速度響應(yīng)的影響較為復(fù)雜，需要綜合考慮地震波的頻譜特性和結(jié)構(gòu)的自振特性。3.4.2層數(shù)對(duì)組合框架的影響為研究層數(shù)對(duì)組合框架在地震作用下動(dòng)力響應(yīng)的影響，建立了不同層數(shù)（3層、6層、9層）的組合框架模型，并進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析。隨著層數(shù)的增加，組合框架的動(dòng)力響應(yīng)呈現(xiàn)出明顯的變化。在位移響應(yīng)方面，組合框架的頂點(diǎn)位移和層間位移均隨層數(shù)的增加而增大。3層組合框架的頂點(diǎn)最大位移為[Z1]mm，6層組合框架增大至[Z2]mm，9層組合框架進(jìn)一步增大到[Z3]mm。這是由于層數(shù)的增加導(dǎo)致結(jié)構(gòu)高度增加，結(jié)構(gòu)的整體剛度相對(duì)減小，在地震作用下更容易產(chǎn)生變形。同時(shí)，層間位移也隨著層數(shù)的增加而增大，且下部樓層的層間位移相對(duì)較大。這是因?yàn)橄虏繕菍映惺艿牡卣鹆^大，且隨著層數(shù)的增加，下部樓層的受力更加復(fù)雜，更容易出現(xiàn)較大的層間變形。在加速度響應(yīng)方面，組合框架的加速度峰值也隨層數(shù)的增加而增大。3層組合框架的底層加速度峰值為[W1]m/s2，6層組合框架增大至[W2]m/s2，9層組合框架達(dá)到[W3]m/s2。這是因?yàn)閷訑?shù)的增加使得結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)的慣性力增大，從而導(dǎo)致加速度響應(yīng)增大。隨著層數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的高階振型對(duì)加速度響應(yīng)的影響逐漸增大，使得加速度響應(yīng)的分布更加復(fù)雜。在9層組合框架中，除了底層加速度峰值較大外，中間樓層也出現(xiàn)了較大的加速度響應(yīng)峰值，這是由于高階振型的作用導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在某些樓層出現(xiàn)了局部共振現(xiàn)象。層數(shù)增加會(huì)降低組合框架的抗震性能。結(jié)構(gòu)的變形和加速度響應(yīng)增大，使得結(jié)構(gòu)在地震作用下更容易發(fā)生破壞。在設(shè)計(jì)高層組合框架時(shí)，需要采取有效的措施來(lái)提高結(jié)構(gòu)的抗震性能，如增加構(gòu)件的截面尺寸、加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)連接、設(shè)置耗能裝置等，以確保結(jié)構(gòu)在地震中的安全性。3.4.3不同跨數(shù)對(duì)組合框架的影響建立不同跨數(shù)（3跨、5跨、7跨）的外包U型鋼混凝土組合梁與方鋼管混凝土柱組合框架模型，進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，以探討不同跨數(shù)對(duì)組合框架在地震作用下受力和變形特點(diǎn)的影響。隨著跨數(shù)的增加，組合框架的受力和變形呈現(xiàn)出明顯的變化。在受力方面，跨數(shù)的增加使得梁的跨度增大，梁所承受的彎矩和剪力也相應(yīng)增大。在5跨組合框架中，梁跨中截面的最大彎矩比3跨組合框架增加了[M1]kN?m，剪力增加了[V1]kN。這是因?yàn)榱旱目缍仍龃蠛?，梁在地震作用下的撓曲變形增大，從而?dǎo)致彎矩和剪力增大。跨數(shù)的增加還會(huì)使柱所承受的軸力分布發(fā)生變化。邊柱所承受的軸力相對(duì)減小，而中柱所承受的軸力相對(duì)增大。在7跨組合框架中，中柱的最大軸力比3跨組合框架增加了[P1]kN，邊柱的最大軸力減小了[P2]kN。這是由于跨數(shù)增加后，結(jié)構(gòu)的空間受力特性發(fā)生改變，中柱承擔(dān)了更多的豎向荷載和水平地震力。在變形方面，跨數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致組合框架的側(cè)移增大。3跨組合框架的頂點(diǎn)最大側(cè)移為[S1]mm，5跨組合框架增大至[S2]mm，7跨組合框架進(jìn)一步增大到[S3]mm。這是因?yàn)榭鐢?shù)的增加使得結(jié)構(gòu)的整體剛度減小，在地震作用下更容易產(chǎn)生側(cè)移?？鐢?shù)的增加還會(huì)使結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)更加明顯。當(dāng)結(jié)構(gòu)受到偏心地震作用時(shí)，跨數(shù)較多的組合框架更容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的變形不均勻。在5跨組合框架中，由于扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，結(jié)構(gòu)一側(cè)的層間位移比另一側(cè)增大了[ΔS1]mm?？鐢?shù)變化對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有著重要影響。隨著跨數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的整體剛度減小，在地震作用下的變形增大，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低。跨數(shù)的增加還會(huì)使結(jié)構(gòu)的受力分布更加復(fù)雜，容易出現(xiàn)局部應(yīng)力集中和破壞。在設(shè)計(jì)組合框架時(shí)，需要合理控制跨數(shù)，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置、增加支撐等措施來(lái)提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，確保結(jié)構(gòu)在地震作用下的安全。3.4.4不同地震波對(duì)組合框架的影響選用EICentro波、Taft波和一組人工模擬地震波，對(duì)同一組合框架模型進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析，對(duì)比不同地震波作用下組合框架的動(dòng)力響應(yīng)，分析地震波特性對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響。不同地震波作用下，組合框架的動(dòng)力響應(yīng)存在顯著差異。在位移響應(yīng)方面，EICentro波作用下，組合框架的頂點(diǎn)最大位移為[D1]mm；Taft波作用下，頂點(diǎn)最大位移為[D2]mm；人工模擬地震波作用下，頂點(diǎn)最大位移為[D3]mm。這是由于不同地震波的頻譜特性、峰值加速度和持續(xù)時(shí)間不同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)對(duì)不同地震波的響應(yīng)不同。EICentro波的頻譜特性較為豐富，包含了多個(gè)頻率成分，與組合框架的自振頻率可能存在共振現(xiàn)象，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)較大。Taft波的峰值加速度和頻譜特性與EICentro波有所不同，使得結(jié)構(gòu)在Taft波作用下的位移響應(yīng)也不同。人工模擬地震波是根據(jù)特定的場(chǎng)地條件和抗震設(shè)計(jì)要求生成的，其頻譜特性和峰值加速度經(jīng)過(guò)調(diào)整，以滿足工程分析的需要，因此結(jié)構(gòu)在人工模擬地震波作用下的位移響應(yīng)也具有獨(dú)特的特點(diǎn)。在加速度響應(yīng)方面，不同地震波作用下組合框架的加速度峰值也存在差異。EICentro波作用下，組合框架底層的加速度峰值為[A1]m/s2