框架-剪力墙结构高层地震问题的数值分析

曾支明,丛树民

(沈阳大学建筑工程学院,辽宁沈阳 110044)

框架-剪力墙结构高层地震问题的数值分析

曾支明,丛树民

(沈阳大学建筑工程学院,辽宁沈阳 110044)

应用大型有限元ANSYS软件对框剪结构高层进行了地震响应和地震波瞬态分析,通过框剪结构高层在自振及地震波作用下的分析,得到了结构的位移与地震频率的关系,可为框剪结构高层的抗震设计提供参考价值.

框剪结构;ANSYS;谱响应分析;瞬态分析

当前,城市人口集中、用地紧张以及商业竞争的激烈化,促使了近代高层建筑的出现和发展,使其成为近代经济发展和科学技术进步的产物.框架-剪力墙结构也称框剪结构,是由框架和剪力墙两种不同的抗侧力结构组成的新的受力形式,具有布置灵活、抗侧力强、剪力墙刚度大等优点[1].在同等抗震要求的情况下,相对于框架结构而言,框剪结构的楼房抗震性能要好.因此,框剪结构体系在高层建筑结构中得到了广泛应用.我国是个多地震国家,87%的行政区域属于地震区,因此,研究框剪结构的抗震性能对我国高层建筑的抗震及防震具有重要的意义[2].长期以来,传统的抗震设计方法是利用手工计算,将框剪结构每一层简化成一个质点,进行固有频率和固有振型的近似计算.随着有限元理论的不断发展和完善,有限元软件成为研究钢筋混凝土结构性能的有力工具.ANSYS软件是当今国际主流的有限元分析工具,它有众多的单元可供选择,并具有非常完备的前处理和后处理功能.ANSYS软件在钢筋混凝土分析中的应用使得工程师们从烦琐的程序编制中解脱出来,缩短了结构设计的时间,提高了效率[3].

1 工程模型的选取及计算参数的确定

本文所选的框剪结构建筑共22层,总高度为83 m,主框架柱截面为1.2 m×1.2 m,次框架柱截面为0.8 m×0.8 m;外框架梁截面为0.5 m× 0.8 m,内框架梁截面为0.6 m×0.8 m,次框架梁截面为0.4 m×0.5 m;剪力墙厚0.3 m,外围墙及楼板厚0.2 m.第1～4层层高5 m,第5层及以上层高均为3.5 m.钢筋混凝土的密度统一为2 700 kg/m3,泊松比取为0.2.在结构有限元建模中,主、次框架柱以及外、内、次框架梁构件均采用二次梁单元(Beam 188)进行模拟,剪力墙、外围墙及楼板构件采用弹性壳体单元(Shell 63)进行模拟,划分的有限元节点总数为1 702个,单元总数为22 660个.各承重结构的模型参数如表1所示,建筑结构平面图如图1所示.

表1 模型参数表

图1 建筑结构平面图

2 使用ANS YS建模及施加约束条件和自重荷载

在使用ANSYS建模时采用边建模边划分网格的办法,这样能减少工作的烦琐,建完和网格划分后的模型如图2所示.由于高层结构的桩基础埋置较深,结构在地面的侧移和转动不大,因此在模型底端可以通过固端约束来模拟结构的底部基础,在建立模型后将与地面接触的所有节点施加全部约束.施加约束和自重荷载后整个模型如图3所示.

图2 网格划分后的图形

图3 施加约束和自重荷载后的图形

3 地震谱响应分析

3.1 模态分析(Modal)

模态分析是研究结构动力特性的一种近代方法,是系统辨别方法在工程振动领域中的应用[4].设置分析类型为Modal,设置模态提取方法为Subspace,模态数为28,求解后得到前四阶的变形图如图4所示.可以得出结构的前四阶自振频率如表2所示.

表2 框剪结构的固有频率

3.2 谱分析(Spectrum)

谱分析是对空间数据进行格局、尺度分析的一种数学方法,运用傅里叶变换求取观测数据分解产生正弦波及拟合最优波函数[4].设置分析类型为Spectrum,提取方法为Single-ptresp.

打开应力响应开关,输入频率对应的反应谱谱值,本例建筑抗震要求为7级的近地荷载,场地为Ⅲ类且为动态响应,所以Tg=0.4,αmax= 0.08.输入20个频率对应的20个反应谱谱值,经过模态的扩展和合并可以得出建筑上各个节点X,Y方向的位移与频率的历程图,本例以1 629 (结构顶部一角点)节点为例,位移-时间历程图如图5所示.

图4 前四阶的变形图

图5 1 629节点位移-时间历程图

4 地震波瞬态分析

(1)建立地震波数据文件.本例采用天津波,天津波的记录时长为5 s,时间间隔为0.01 s,每0.1 s取一个值,共取50个值.建立两个.txt的地震波文件.

(2)读入地震波数据文件.对建筑实行50个加载步,每个加载步分10个子步进行地震波的瞬态分析.图6为节点1 629在第50加载步第10子步后的X,Y方向的位移图.

另外,还可以通过图7来了解1 629节点的X,Y方向的位移随时间的变化.

图6 节点1 629的X,Y方向的位移图

图7 节点1 629的X,Y方向的响应图

5 结 语

(1)本例22层建筑结构在自振频率2.25～3.5 Hz之间结构的位移小,是可以安全使用的.

(2)结构模型以水平振形为主,特别是以Y轴的平动为主.所以,高层设计中提高建筑物的抗侧力是非常重要的.由此证明框剪结构在高层建筑抗震中的组合优势.

(3)总体来说,通过ANSYS对框剪结构的抗震分析,充分说明了它的精确性、直观性,并且可以为工程人员对框剪结构高层抗震设计提供借鉴依据.

[1]李围.ANSYS土木工程应用实例[M].2版.北京:中国水利水电出版社,2007.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50011—2010 建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[3]中华人民共和国建设部.GB 50009—2001 建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[4]李冬林,梁西文,辛建雨.巨型框架结构体系地震响应问题的ANSYS分析[J].山西建筑学报,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,江西抚州人,沈阳大学硕士研究生;丛树民(1954-),男,辽宁丹东人,沈阳大学教授.

【责任编辑 刘乃义】