異形柱框架結(jié)構(gòu)抗震性能的ANSYS有限元分析

王軍芳

(1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明365004；2.工程材料與結(jié)構(gòu)加固福建省高等學(xué)校重點實驗室，福建 三明365004)

異形柱框架結(jié)構(gòu)是近年來一種新型節(jié)能住宅結(jié)構(gòu)，具有柱楞不突出墻面、建筑觀瞻性好、節(jié)約能源、增加使用面積及適應(yīng)功能變化等優(yōu)點，很受開發(fā)商及住戶的歡迎[1-4]。由于該結(jié)構(gòu)沒有經(jīng)受過地震考驗，再加上異性柱多肢的存在，其剪力中心與截面形心往往不重合，導(dǎo)致柱肢混凝土受力時常先于普通矩形出現(xiàn)裂縫，脆性明顯，變形能力較低等，因此，工程設(shè)計人員對其抗震性能非常關(guān)心。目前針對異形柱構(gòu)件及異形柱平面框架結(jié)構(gòu)性能的研究較多，而整體抗震性分析的研究成果較少，有關(guān)的結(jié)論只是些定性的分析，更多的抗震規(guī)律需要進一步的研究。本文對文獻[5]振動臺上完成的一個異形柱框架結(jié)構(gòu)試驗?zāi)Ｐ偷脑瓦M行模擬計算，探討其在設(shè)防烈度和罕遇烈度下的整體抗震性能，進一步研究ANSYS作為異形柱框架結(jié)構(gòu)彈塑性分析手段的可行性。

1 模型建立

采用有限元軟件ANSYS對文獻[5]中試驗?zāi)Ｐ偷脑图?層異形柱框架結(jié)構(gòu)（平面圖如圖1）進行水平地震作用下的模擬分析。由文獻[5]可知：地震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，Ⅱ類場地（第2組），二級抗震。異形柱截面形式見圖1，柱肢長700 mm，肢厚250 mm，采用HRB400的鋼筋，配筋情況1～2層L型柱均采用Ф22mm鋼筋，T字型柱均采用Ф25mm鋼筋，十字形柱均采用Ф18mm鋼筋，3～6層所有柱縱筋均采用Ф18mm鋼筋。柱混凝土C45，梁板混凝土C30，所有構(gòu)件保護層厚度均取30 mm。

建模時，混凝土采用SOLID65單元模擬，鋼筋通常用LINK8單元模擬，如圖2。模型中不考慮鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移，即共同工作的計算精度能滿足工程精度要求[6]。

圖1 原型標準層柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置（單位：mm）

圖2 計算模型（單位：mm）

梁柱單元模型根據(jù)文獻7均采用考慮剛度退化的三線型恢復(fù)力模型（如圖3），它能較好的描述鋼筋混凝土異形柱構(gòu)件非線性受力的全過程，其中模型的特征點根據(jù)實配鋼筋計算。有限元模型及其網(wǎng)格劃分情況以節(jié)點處十字形柱為例如圖4，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。

為了較真實地體現(xiàn)地震作用下的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，本模型選用與振動臺試驗?zāi)Ｐ鸵恢碌腅l-Centro南北向地震波（地震最大加速度為341.7 cm/s2）進行結(jié)果的對比分析?？紤]到不同的地震波輸入所得的時程分析結(jié)果也不同，但卻不影響結(jié)構(gòu)抗震反應(yīng)的整體趨勢，所以又分別輸入南北向Taft波（地震最大加速度為152.7 cm/s2,）和人工擬合波(抗震設(shè)計規(guī)范[8]Ⅲ類場地8度二組5%阻尼比的反應(yīng)譜進行擬合)2種地震波，進一步了解ANSYS在不同波形作用時結(jié)構(gòu)的整體抗震反應(yīng)是否一致。

2 計算結(jié)果驗證

圖5為El-Centro（南北向）地震波作用下的結(jié)構(gòu)模型自振周期計算值的曲線與相應(yīng)試驗值曲線的對比情況圖。由圖可知：ANSYS計算模型的計算周期與振動臺模型的試驗結(jié)果吻合度較好，計算模型的低階振型周期與試驗值基本相同。分析說明，用ANSYS模擬異形柱框架結(jié)構(gòu)的動力彈塑性分析具備可行性。

圖3 三線型恢復(fù)力模型

圖4 十字形柱有限元模型

3 計算結(jié)果分析

為了方便比較分析，選取各樓層處的相對位移最大值和樓層處的最大相對位移值曲線進行對比。圖6～9分別給出了8度(0.2g)多遇烈度和罕遇烈度時，計算模型在El-Centro波(_el)、Taft波(_ta)和人工擬合波(_rg)分別作用下樓層相對位移最大值的計算值曲線圖與El-Centro波作用下樓層相對位移最大值的試驗值（_sy）對比曲線圖和樓層層間位移最大值曲線對比圖。

由圖6～9可知，8度多遇烈度和罕遇烈度下，異形柱框架結(jié)構(gòu)實際樓層最大位移的計算值和試驗值的對比分可知，其位移曲線形狀走勢一致。其中El-Centro波(_el)作用下的計算模型值與試驗值的曲線圖最為接近一致，主要原為試驗值曲線圖是在El-Centro波(_el)作用下所獲得的。而其它地震波形如Taft波(_ta)和人工擬合波(_rg)僅作為補充條件，在同向地震作用時其最大加速度峰值均低于El-Centro波(_el)，故對應(yīng)的地震反應(yīng)也低于同向的El-Centro波(_el)作用下的試驗值，這反映出地震波的不同頻譜特性對結(jié)構(gòu)體系的反應(yīng)影響顯著的特點。分析結(jié)果表明，樓層層間位移最大值首先出現(xiàn)在2層，導(dǎo)致2層裂縫出現(xiàn)后向上下延伸，使得1-3層相繼破壞。

圖5 結(jié)構(gòu)模型振型周期的計算結(jié)果

圖6 8度(0.2g)多遇烈度時樓層相對位移最大值

圖7 8度(0.2g)罕遇烈度時最大相對位移對比值

圖8 8度(0.2g)多遇烈度時樓層層間位移最大值

圖9 8度(0.2g)罕遇烈度時樓層層間位移最大值

表1～2給出了地震波作用下，8度多遇烈度與8度罕遇烈度下，樓層層間位移角最大值對比情況。表1可知，框架結(jié)構(gòu)的樓層位移值在多遇烈度下，除了二層外，其余各層基本滿足異形柱框架結(jié)構(gòu)位移限值1/600[9]，X波作用下，2層層間角位移超出了限值，也是試驗值最先出現(xiàn)破壞的位置，由此分析可知，2層為薄弱層，計算結(jié)果與試驗結(jié)果相接近。在8度罕遇烈度下，結(jié)構(gòu)進入彈塑性階段，框架結(jié)構(gòu)1層至3層位移均超出了允許限值1/60[9]，3層相繼進入破壞模式。

表1 地震波作用下結(jié)構(gòu)樓層層間位移角最大值mm

表2 地震波作用下結(jié)構(gòu)樓層層間位移角最大值mm

4 結(jié)論

（1）由圖3知，在El-Centro波型作用下，異形柱框架結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果與ANSYS模型的計算結(jié)果在低階振型時較為吻合。低階振型模態(tài)主要表現(xiàn)為整體平動和整體扭轉(zhuǎn)。第一振型主要為整體橫向（X向）平動，第二振型主要為整體縱向（Y向）平動，同時還伴隨著扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的出現(xiàn)。振型曲線前2階主要為剪切變形。

（2）由圖6～9可知，在8度多遇地震和8度罕遇地震下，由于異形柱框架結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果是在El-Centro波形作用時獲得，所以ANSYS模型在El-Centro波形作用時的計算結(jié)果與試驗結(jié)果最為吻合。而在Taft波(_ta)和人工擬合波(_rg)作用時，ANSYS計算模型的計算值如樓層相對位移反應(yīng)最大值、層間位移反應(yīng)最大值僅與試驗值走勢整體一致。2層及3層出現(xiàn)了較大的層間位移值。三種地震波對結(jié)構(gòu)體系地震反應(yīng)的差別，也可以反映出地震波的不同頻譜特性和持時對結(jié)構(gòu)體系的反應(yīng)影響顯著。

（3）由表1及表2可知，樓層相對位移角最大值也出現(xiàn)在第二層和第三層，即薄弱部位出現(xiàn)在第二層、第三層。所以針對存異形柱框架結(jié)構(gòu)，如何加強薄弱層的設(shè)計成為工程設(shè)計人員考慮的關(guān)鍵部分。

（4）由上述（1）（2）（3）三部分結(jié)論可知，ANSYS模擬異形柱框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)具有較強的合理性和可行性，可以彌補振動臺實驗的不足，其分析結(jié)果可為工程人員抗震設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)。

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