框架-剪力墻結(jié)構(gòu)高層地震問題的數(shù)值分析

曾支明,叢樹民

(沈陽大學(xué)建筑工程學(xué)院,遼寧沈陽 110044)

框架-剪力墻結(jié)構(gòu)高層地震問題的數(shù)值分析

曾支明,叢樹民

(沈陽大學(xué)建筑工程學(xué)院,遼寧沈陽 110044)

應(yīng)用大型有限元ANSYS軟件對框剪結(jié)構(gòu)高層進(jìn)行了地震響應(yīng)和地震波瞬態(tài)分析,通過框剪結(jié)構(gòu)高層在自振及地震波作用下的分析,得到了結(jié)構(gòu)的位移與地震頻率的關(guān)系,可為框剪結(jié)構(gòu)高層的抗震設(shè)計提供參考價值.

框剪結(jié)構(gòu);ANSYS;譜響應(yīng)分析;瞬態(tài)分析

當(dāng)前,城市人口集中、用地緊張以及商業(yè)競爭的激烈化,促使了近代高層建筑的出現(xiàn)和發(fā)展,使其成為近代經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物.框架-剪力墻結(jié)構(gòu)也稱框剪結(jié)構(gòu),是由框架和剪力墻兩種不同的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)組成的新的受力形式,具有布置靈活、抗側(cè)力強、剪力墻剛度大等優(yōu)點[1].在同等抗震要求的情況下,相對于框架結(jié)構(gòu)而言,框剪結(jié)構(gòu)的樓房抗震性能要好.因此,框剪結(jié)構(gòu)體系在高層建筑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用.我國是個多地震國家,87%的行政區(qū)域?qū)儆诘卣饏^(qū),因此,研究框剪結(jié)構(gòu)的抗震性能對我國高層建筑的抗震及防震具有重要的意義[2].長期以來,傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法是利用手工計算,將框剪結(jié)構(gòu)每一層簡化成一個質(zhì)點,進(jìn)行固有頻率和固有振型的近似計算.隨著有限元理論的不斷發(fā)展和完善,有限元軟件成為研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能的有力工具.ANSYS軟件是當(dāng)今國際主流的有限元分析工具,它有眾多的單元可供選擇,并具有非常完備的前處理和后處理功能.ANSYS軟件在鋼筋混凝土分析中的應(yīng)用使得工程師們從煩瑣的程序編制中解脫出來,縮短了結(jié)構(gòu)設(shè)計的時間,提高了效率[3].

1 工程模型的選取及計算參數(shù)的確定

本文所選的框剪結(jié)構(gòu)建筑共22層,總高度為83 m,主框架柱截面為1.2 m×1.2 m,次框架柱截面為0.8 m×0.8 m;外框架梁截面為0.5 m× 0.8 m,內(nèi)框架梁截面為0.6 m×0.8 m,次框架梁截面為0.4 m×0.5 m;剪力墻厚0.3 m,外圍墻及樓板厚0.2 m.第1～4層層高5 m,第5層及以上層高均為3.5 m.鋼筋混凝土的密度統(tǒng)一為2 700 kg/m3,泊松比取為0.2.在結(jié)構(gòu)有限元建模中,主、次框架柱以及外、內(nèi)、次框架梁構(gòu)件均采用二次梁單元(Beam 188)進(jìn)行模擬,剪力墻、外圍墻及樓板構(gòu)件采用彈性殼體單元(Shell 63)進(jìn)行模擬,劃分的有限元節(jié)點總數(shù)為1 702個,單元總數(shù)為22 660個.各承重結(jié)構(gòu)的模型參數(shù)如表1所示,建筑結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示.

表1 模型參數(shù)表

圖1 建筑結(jié)構(gòu)平面圖

2 使用ANS YS建模及施加約束條件和自重荷載

在使用ANSYS建模時采用邊建模邊劃分網(wǎng)格的辦法,這樣能減少工作的煩瑣,建完和網(wǎng)格劃分后的模型如圖2所示.由于高層結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)埋置較深,結(jié)構(gòu)在地面的側(cè)移和轉(zhuǎn)動不大,因此在模型底端可以通過固端約束來模擬結(jié)構(gòu)的底部基礎(chǔ),在建立模型后將與地面接觸的所有節(jié)點施加全部約束.施加約束和自重荷載后整個模型如圖3所示.

圖2 網(wǎng)格劃分后的圖形

圖3 施加約束和自重荷載后的圖形

3 地震譜響應(yīng)分析

3.1 模態(tài)分析(Modal)

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力特性的一種近代方法,是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用[4].設(shè)置分析類型為Modal,設(shè)置模態(tài)提取方法為Subspace,模態(tài)數(shù)為28,求解后得到前四階的變形圖如圖4所示.可以得出結(jié)構(gòu)的前四階自振頻率如表2所示.

表2 框剪結(jié)構(gòu)的固有頻率

3.2 譜分析(Spectrum)

譜分析是對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行格局、尺度分析的一種數(shù)學(xué)方法,運用傅里葉變換求取觀測數(shù)據(jù)分解產(chǎn)生正弦波及擬合最優(yōu)波函數(shù)[4].設(shè)置分析類型為Spectrum,提取方法為Single-ptresp.

打開應(yīng)力響應(yīng)開關(guān),輸入頻率對應(yīng)的反應(yīng)譜譜值,本例建筑抗震要求為7級的近地荷載,場地為Ⅲ類且為動態(tài)響應(yīng),所以Tg=0.4,αmax= 0.08.輸入20個頻率對應(yīng)的20個反應(yīng)譜譜值,經(jīng)過模態(tài)的擴(kuò)展和合并可以得出建筑上各個節(jié)點X,Y方向的位移與頻率的歷程圖,本例以1 629 (結(jié)構(gòu)頂部一角點)節(jié)點為例,位移-時間歷程圖如圖5所示.

圖4 前四階的變形圖

圖5 1 629節(jié)點位移-時間歷程圖

4 地震波瞬態(tài)分析

(1)建立地震波數(shù)據(jù)文件.本例采用天津波,天津波的記錄時長為5 s,時間間隔為0.01 s,每0.1 s取一個值,共取50個值.建立兩個.txt的地震波文件.

(2)讀入地震波數(shù)據(jù)文件.對建筑實行50個加載步,每個加載步分10個子步進(jìn)行地震波的瞬態(tài)分析.圖6為節(jié)點1 629在第50加載步第10子步后的X,Y方向的位移圖.

另外,還可以通過圖7來了解1 629節(jié)點的X,Y方向的位移隨時間的變化.

圖6 節(jié)點1 629的X,Y方向的位移圖

圖7 節(jié)點1 629的X,Y方向的響應(yīng)圖

5 結(jié) 語

(1)本例22層建筑結(jié)構(gòu)在自振頻率2.25～3.5 Hz之間結(jié)構(gòu)的位移小,是可以安全使用的.

(2)結(jié)構(gòu)模型以水平振形為主,特別是以Y軸的平動為主.所以,高層設(shè)計中提高建筑物的抗側(cè)力是非常重要的.由此證明框剪結(jié)構(gòu)在高層建筑抗震中的組合優(yōu)勢.

(3)總體來說,通過ANSYS對框剪結(jié)構(gòu)的抗震分析,充分說明了它的精確性、直觀性,并且可以為工程人員對框剪結(jié)構(gòu)高層抗震設(shè)計提供借鑒依據(jù).

[1]李圍.ANSYS土木工程應(yīng)用實例[M].2版.北京:中國水利水電出版社,2007.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50011—2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[3]中華人民共和國建設(shè)部.GB 50009—2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[4]李冬林,梁西文,辛建雨.巨型框架結(jié)構(gòu)體系地震響應(yīng)問題的ANSYS分析[J].山西建筑學(xué)報,2009,35(5):71-72.

NumericalAnalysisonFrame-shearWallStructureHigh-rise Buildings under Earthquake

ZEN G Zhiming,CON G Shumin
(School of Architectural and Civil Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China)

The seismic response and seismic wave transient analysis of frame-shear wall structure high-rise buildings are made,by using the finite element software ANSYS.Through the analysis on the frame-shear wall structure high-rise buildings under the vibration and seismic waves,the relationship between the displacement of the structure and the earthquake frequency is educed,which could provide reference for the aseismic design of frame-shear wall structure high-rise building.

frame-shear wall structure;ANSYS;spectral response analysis;transient analysis

TU 398+.2

A

1008-9225(2011)06-0118-04

2011-04-25

曾支明(1985-),男,江西撫州人,沈陽大學(xué)碩士研究生;叢樹民(1954-),男,遼寧丹東人,沈陽大學(xué)教授.

【責(zé)任編輯 劉乃義】