基于 ANSYS的框架—配筋砌块砌体混合结构分析★

马建勋 祁星星 张 明

(西安交通大学，陕西西安 710049)

框架—配筋砌块砌体混合结构是将混凝土框架与配筋砌块砌体剪力墙组合，通过构造措施使配筋砌块砌体墙既充当建筑围护构件又作为结构受力构件，共同承受水平和竖向荷载，从而形成一种既经济、适用、空间布置灵活，又具有良好抗震性能的结构体系。混凝土框架—配筋砌块砌体混合体系综合了框架结构和配筋砌块砌体剪力墙结构两种结构体系的优点，不但克服了框架结构刚度低、配筋砌体结构平面布置不灵活等局限性，而且构造了双重抗侧力体系，形成了多道抗震防线，提高了结构的抗倒塌能力。其次，由于配筋砌块砌体一般为纵横向均为单层钢筋，钢筋直径较小，而且钢筋间距较大，故用钢量与框架剪力墙相比明显减少［1］。在施工方面，配筋砌块在工厂加工完成，减少了现浇混凝土量，而且砌筑时不用模板，施工速度快，而且砌体可以作为混凝土结构的模板和支撑，节省了模板，更方便了施工，同时由于砌体墙面平整，施工期间损耗小，节省墙面抹灰。

1 有限元模型

1.1 分析对象介绍

［2］［3］，采用一个18层钢筋混凝土框架—配筋砌块砌体混合结构的例子，结构标准层如图1所示，底层层高4.5 m，其他层层高3.5 m，总高度为64 m，设计地震烈度为8度，地震分组为第一组，Ⅱ类场地。各层均布恒载为8.0 kN/m2，均布活载为2.0 kN/m2。构件强度等级及截面尺寸见表1。混凝土砌块基本尺寸为390×190×190，空心率为46%，100%灌芯。

图1 结构标准层平面图

表1 构件强度等级及截面尺寸

1.2 分析模型在ANSYS中的实现

利用ANSYS，建立结构的有限元模型。其中，梁、柱采用Beam188单元，配筋砌块砌体及混凝土楼板采用Shell181单元。具体材料参数见表2。

表2 模型结构材料特性参数

约束结构底面各节点的三个方向的自由度来模拟基础对结构的约束。高度方向网格划分尺寸为0.5 m，水平方向划分尺寸为1.0 m。结构有限元模型见图2。

图2 结构有限元模型

2 结构模态分析

固有频率和模态振型是结构的重要动力特性，本文计算得出了框架—配筋砌块砌体混合结构的前6阶固有频率以及对应的振型。同样的，也计算了同样结构尺寸的框架结构的前6阶固有频率以及对应的振型，以参照对比。固有频率见表3，前6阶振型见图3，图4。

表3 框架—砌体墙和框架结构的固有频率

从振型图和频率对比表中可以看出，同等条件下，框架结构的固有频率比框架—配筋砌块砌体混合结构的固有频率要小，由于框架—配筋砌块砌体混合结构配筋砌块砌体墙沿结构横向布置，使得结构横向的刚度比较大。

图3 框架—配筋砌块砌体混合结构前六阶振型图

图4 框架结构前六阶振型图

3 地震作用下的结构响应

根据抗震规范［4］的规定，采用的地震水平地震影响系数最大值αmax=0.16，特征周期Tg=0.35，结构阻尼取为0.05。

采用振型分解反应谱法来考虑地震作用。首先进行谱分析，取前18阶振型和频率，然后对每阶振型进行Z向(结构横向)的单点加速度反应谱分析，最后采用SRSS方法进行振型组合，得到结构在地震作用下的反应。并将相同尺寸、相同边界条件及相同荷载条件的框架—配筋砌块砌体混合结构与框架结构作了对比，计算结果见图5～图8。分析结果表明，框架结构楼层间柱上剪力为直线，而混合结构楼层间柱上剪力分布不均匀，楼层处较大，楼层间相对较小，可见楼层间水平力在框架与配筋砌块砌体间的分配是不均匀的，柱端剪力较大，因此需加强带配筋砌块砌体的框架柱端的抗剪构造。另外从第一主应力的数值上来看，框架—配筋砌块砌体混合结构的最大主应力为0.135 MPa，而框架结构为9.3 MPa，从剪力的数值上也可以看出框架结构的剪力要大于混合结构的剪力。这主要是因为配筋砌块砌体墙增加了混合结构的刚度，使其在同等条件下，承载力明显有所提高。

图6 框架结构第一主应力云图

图7 框架—配筋砌块砌体混合结构剪力图

图8 框架结构剪力图

分析图9可知，框架结构呈剪切变形，水平位移上大下小;而混合结构中配筋砌块砌体墙和框架柱变形协调，下部结构以弯曲变形为主，随着楼层的增加，逐渐由弯曲变形为主转变为剪切变形为主，使得最大水平位移较框架结构减少了45%。

图9 地震作用下两种结构的水平位移随层高变化曲线比较

4 结语

1)文中运用ANSYS有限元分析软件建立了框架—砌块砌体混合结构和框架结构的三维有限元模型，并对模型进行了模态分析，通过比较前6阶固有频率和振型，得出混合结构的固有频率大于框架结构的固有频率，说明配筋砌块砌体墙的存在可以明显增加结构的刚度。2)通过分析在地震作用下的结构响应，可以看出混合结构的水平位移明显小于框架结构的水平位移，且承载力也有明显的提高，说明混合结构中框架与配筋砌块砌体墙能够协同工作，构造了双重抗侧力体系，有利于结构受力。

参考文献:

［1］ 凤 来，张 厚，唐岱新.论我国墙用混凝土砌块产业发展的教训和砌块整浇墙技术［J］.建筑砌块与砌块建筑，2010 (6)：4-8.

［2］ 缪志伟.框架—剪力墙结构的静力弹塑性分析研究［J］.工程抗震与加固改造，2008，30(6)：42-54.

［3］ 于彩峰，付忠林，王凤来.哈尔滨地区17层住宅结构方案对比与造价分析［A］.2010年全国砌体结构基本理论与工程应用学术交流会·新型砌体结构体系与墙体材料——工程应用［C］.北京：中国建材工业出版社，2010：120-123.

［4］ GB 50011-2010，建筑抗震设计规范［S］.

［5］ 尚晓江.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用［M］.北京：中国水利出版社，2005.