基于ANSYS的異形柱框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的建模分析

王軍芳

(1.工程材料與結(jié)構(gòu)加固福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 三明365004；2.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明365004)

基于ANSYS的異形柱框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的建模分析

王軍芳1,2

(1.工程材料與結(jié)構(gòu)加固福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 三明365004；2.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明365004)

以某鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合有限元軟件ANSYS，對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu)地震作用下動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行模擬分析研究。利用AYSYS模擬地震波的輸入，研究結(jié)構(gòu)在地震作用下的模態(tài)、動(dòng)力響應(yīng)和各層樓板最大位移反應(yīng)等；通過(guò)結(jié)果對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證本文中所采用計(jì)算模型的合理性及軟件的可靠性，為今后ANSYS進(jìn)一步分析異形柱框架結(jié)構(gòu)的抗震性能提供可靠的參考。

ANSYS;異形柱框架結(jié)構(gòu);建模;地震反應(yīng)

隨著異形柱結(jié)構(gòu)體系在工程上尤其是地震區(qū)的推廣及應(yīng)用[1]，其整體結(jié)構(gòu)的抗震問(wèn)題越來(lái)越突出。本文利用ANSYS對(duì)異形柱框架的整體抗震性能進(jìn)行了分析研究，先對(duì)文獻(xiàn)[2]中振動(dòng)臺(tái)上完成的一個(gè)異形柱框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑瓦M(jìn)行模擬分析，利用AYSYS模擬地震波的輸入，研究結(jié)構(gòu)在地震作用下的模態(tài)、動(dòng)力響應(yīng)和頂層樓板最大位移反應(yīng)；通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證ANSYS計(jì)算模型的合理性及軟件的可靠性，為分析罕遇烈度下異形柱框架結(jié)構(gòu)整體抗震性能提供可靠建議。

1 地震動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)的研究對(duì)象為6層異形柱框架結(jié)構(gòu)，8度(0.2 g)，場(chǎng)地類別Ⅱ類（第二組），抗震級(jí)別為2級(jí)。結(jié)構(gòu)原型為比較規(guī)則的住宅結(jié)構(gòu)，按目前的規(guī)程[3]進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)圖1，計(jì)算模型見(jiàn)圖2。異形柱截面形式見(jiàn)圖1及圖3，柱肢長(zhǎng)700 mm，肢厚250 mm，柱配筋見(jiàn)表1，柱混凝土C45，梁板混凝土C30，所有構(gòu)件保護(hù)層厚度均取30 mm。

圖1 原型標(biāo)準(zhǔn)層柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置 (單位:mm)

圖2 計(jì)算模型(單位:mm)

圖3 異形柱截面尺寸(單位:mm)

表1 異形柱截面配筋表

2 選取計(jì)算模型

2.1 模型的選取

考慮到振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目臻g整體性，用ANSYS對(duì)異形柱整體框架結(jié)構(gòu)建模時(shí)選取空間桿件模型。由于ANSYS軟件中單元種類的多樣性，經(jīng)分析比較樓板選用“shell63”模擬，梁和柱選“beam189”模擬。鑒于異形柱的截面不規(guī)則性，選用ANSYS二次編程，借助beaml89將異形柱橫截面分解為多個(gè)小單元，并對(duì)每部分直接指定材料模式，可以較準(zhǔn)確地分析異形柱框架結(jié)構(gòu)的非線性質(zhì)。

2.2 異形柱截面形式的建立

模型分析時(shí)，采用APDL語(yǔ)言創(chuàng)建異形柱截面形式。慣性矩采用如圖1對(duì)結(jié)構(gòu)軸線計(jì)算的方式，根據(jù)文獻(xiàn)[4]可知，該模式的結(jié)果計(jì)算值更接近于實(shí)驗(yàn)值。

2.3 計(jì)算參數(shù)的處理

本計(jì)算模型賦予各個(gè)單元正交各向異形彈性體的材料屬性。每個(gè)方向的彈性模量為按照實(shí)際混凝土及鋼筋強(qiáng)度通過(guò)配筋率換算所得的等效平均彈性模量。在建模過(guò)程中將每塊樓板都劃分成了若干單元與平面，以保證ANSYS的計(jì)算結(jié)果的精確性。底層柱與基礎(chǔ)剛接，不考慮基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的共同作用。

（1）地震波的選取

進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)，不同的地震波輸入進(jìn)行的時(shí)程分析結(jié)果也不同。 而地震動(dòng)的頻譜特性、有效峰值、持續(xù)時(shí)間是正確選取輸入的地震加速度時(shí)程曲線的關(guān)鍵。為準(zhǔn)確對(duì)比分析，本模型選用與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢碌腅l-Centro南北向地震波（地震加速度時(shí)程曲線的持續(xù)時(shí)間為7.98 s，時(shí)間間隔為 0.02 s），如圖 4。

圖4 EL-Centro南北向地震波

（2）結(jié)構(gòu)阻尼

結(jié)構(gòu)阻尼采用工程應(yīng)用較廣泛的Rayleigh阻尼來(lái)確定，阻尼比通常取為0.05。

（3）恢復(fù)力曲線的選取

對(duì)計(jì)算模型中的梁和柱單元，均采用文獻(xiàn)[5]試驗(yàn)所得的能較好地描述鋼筋混凝土異形柱構(gòu)件的受力全過(guò)程的考慮剛度退化的三線型恢復(fù)力模型（如圖5）。

圖5 三線型恢復(fù)力模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析時(shí)，有經(jīng)驗(yàn)公式、理論研究及軟件分析等多種方法，本文利用通用有限元分析軟件ANSYS對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑瓦M(jìn)行建模計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)研究的結(jié)果對(duì)比分析。

3.1 動(dòng)力特性分析

表2列出了計(jì)算模型的自振周期的計(jì)算值與試驗(yàn)值。結(jié)果表明：ANSYS計(jì)算模型的前3階振型和計(jì)算周期與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑徒Y(jié)果吻合度較好，且振型形態(tài)基本一樣，圖6給出了該結(jié)構(gòu)模型的前3階振型示意圖。分析可知用ANSYS分析異形柱框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性準(zhǔn)確性較為合理。

表2 結(jié)構(gòu)模型振型及頻率（Hz）的計(jì)算結(jié)果

圖6 振型示意圖

3.2 地震地震反應(yīng)分析

在8度(0.2g)多遇烈度和罕遇烈度的地震波作用下，樓層的最大相對(duì)位移見(jiàn)表3、圖7和圖8。

表3 地震波作用下結(jié)構(gòu)樓層相對(duì)位移最大值

圖7 8度(0.2g)多遇烈度時(shí)樓層相對(duì)位移最大值

圖8 8度(0.2g)罕遇烈度時(shí)最大相對(duì)位移對(duì)比值

在8度(0.2g)多遇烈度和8度(0.2g)罕遇烈度的地震波作用下，樓層層間位移最大值見(jiàn)表4、圖9和圖10。

表4 地震波作用下結(jié)構(gòu)樓層相對(duì)位移最大值

由表3、表4及圖7、圖8、圖9及圖10可知，地震波的作用下的ANSYS計(jì)算出來(lái)的相對(duì)位移反應(yīng)最大值、層間位移反應(yīng)最大值與試驗(yàn)值結(jié)果走勢(shì)相近，均在2層及3層體現(xiàn)出較大的層間位移值，可知ANSYS分析有限元軟件用于異形柱框架結(jié)構(gòu)的彈塑性地震反應(yīng)分析可行的。

由ANSYS計(jì)算出來(lái)的樓層層間位移角最大值如表5，樓層相對(duì)位移角最大值出現(xiàn)在第二層和第三層，即薄弱部位出現(xiàn)在第二層、第三層，與試驗(yàn)結(jié)果大致相同，由此說(shuō)明ANSYS模擬異形柱框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的可行性。

圖9 8度(0.2g)多遇烈度時(shí)樓層層間位移最大值

圖10 8度(0.2g)罕遇烈度時(shí)樓層層間位移最大值

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合通用有限元軟件ANSYS對(duì)異形柱框架結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)進(jìn)行了建模研究。分析得知：樓層層間相對(duì)位移最大值及樓層層間位移角最大值均出現(xiàn)在二、三層處，與8度烈度區(qū)6層異形柱框架結(jié)構(gòu)薄弱層出現(xiàn)在第二及第三層的試驗(yàn)結(jié)果相一致，驗(yàn)證了所選取空間桿系力學(xué)計(jì)算模型的可行性及簡(jiǎn)化處理的合理性，為今后用ANSYS進(jìn)一步分析異形柱框架結(jié)構(gòu)的抗震性能和數(shù)值試驗(yàn)奠定了可靠的基礎(chǔ)。

表5 地震波作用下結(jié)構(gòu)樓層層間位移角最大值

[1]鞏偉平，楊靖，高懷明．混凝土異形柱結(jié)構(gòu)研究進(jìn)展[J]．工業(yè)建筑，2013（s1）：236－239.

[2]張永強(qiáng)．八度區(qū)異形柱結(jié)構(gòu)體系的抗震性能試驗(yàn)研究[D]．上海：同濟(jì)大學(xué)，2005．

[3]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)．混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程（征求意見(jiàn)稿）[S]．2012．

[4]李冰.鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析[D]．長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2005

[5]曹萬(wàn)林．不同方向周期反復(fù)荷載作用下T形柱的性能[J].地址工程與工程震動(dòng)，1995（4）：77-84.

Research of Dynamic Structures with Special-shaped Columns by ANSYS Program

WANG Jun-fang1,2
(1.Key Laboratory of Engineering Material&Structure Reinforement Fujian Province University,Sanming 365004 China 2.School of Civil Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China)

Based on shaking table model test and using general-purpose finite element program ANSYS,the dynamical-response of the seismic action of R C frame with special-shaped columns （FSSC）is analyzed in the paper.The seismic wave,the modal,dynamic response and maximum displacement reaction of each floor slab are studied by using AYSYS to simulate the input.The rationality of the calculation model and the reliability of the software ANSYS are verified in this paper by comparing the calculated results with the test results,so as to provide a reliable reference for the further analysis of the seismic performance with the FSSC.

ANSYS;frame with special-shaped columns；modeling； seismic response

TU375.4

A

1673-4343（2017）06-0089-06

10．14098/j．cn35－1288/z．2017．06．014

2017-07-08

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目基金(JA15472）；三明學(xué)院教育改革項(xiàng)目（J1421）

王軍芳，女，河南漯河人，講師。主要研究方向：混凝土結(jié)構(gòu)。

朱聯(lián)九）