不同单向水平地震对框架结构的影响

周磊 叶坤

(扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127)

0 引言

地震是地球内部构造运动的产物，是一种自然现象［1］。我国地震区域广阔而分散，地震频繁而强烈，发生于人烟稠密之处者，损失惨重［2］。对地震的深入了解是土木工程技术人员研究如何防止或减少建筑物由于地震而造成破坏的重要前提。因此研究不同单向水平地震对框架结构的影响具有深远的意义。

本文运用有限元分析软件SAP2000对扬州市某框架结构进行分析。通过对结构施加单向地震力的方法来得到框架结构位移、内力［3］。深入认识地震对框架结构的影响。

1 有限元模拟单向地震作用下的框架结构

1.1 工程概况

本文采用的模型为扬州市某多跨6层框架结构，柱下独立基础，纵向7跨，每跨8.4 m，横向3跨，每跨6 m。1层层高为4.2 m，2层～5层层高3.8 m，顶层层高3.2 m。②轴～⑦轴线框架梁采用统一截面250 mm×550 mm，其余框架梁采用统一截面250 mm×750 mm，次梁采用统一截面250 mm×500 mm，柱采用统一截面550 mm×550 mm，板厚为120 mm。梁、板、柱采用C30混凝土，弹性模量为3.0×104N/mm2，混凝土容重25 kN/m3。本工程抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，基本地震加速度0.15g。本工程地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。

模型平面布置图如图1所示，三维模型结构图见图2。

图1 模型平面布置图

图2 三维结构模型图

1.2 荷载选取

竖向荷载包括结构自重、使用时产生的活荷载。其中结构自重采用程序自动计算，混凝土容重25 kN/m3，活载按规范商业楼面取3.5 kN/m2，上人屋面屋面活荷载取2.0 kN/m2。风荷载，本文取基本风压为0.4 kN/m2，地面粗糙度为C类。输入地震波采用El-Centro波，采用自动地震荷载模式［4］。地震方向分别指定为全局X轴方向和全局Y轴方向。

2 地震对框架结构的影响

X方向与Y方向地震作用下框架三维变形图见图3，图4。

图3 X方向地震作用下框架三维变形图

图4 Y方向地震作用下框架三维变形图

2.1 对结构框架变形的影响

图5 X方向地震作用下Ⓐ轴线框架变形图

图6 Y方向地震作用下Ⓐ轴线框架变形图

表1 X方向地震作用下Ⓐ轴线框架柱x向节点位移 mm

由图5，图6可以看出，在X方向地震作用下Ⓐ轴线框架在x和z方向都产生了变形，x方向变形更大，而Y方向地震作用下Ⓐ轴线框架在x方向产生的变形并不明显，但可以看出在z方向产生了一些变形。

表2 Y方向地震作用下Ⓐ轴线框架柱y向节点位移 mm

由表1可以看出，随着层数的增加，X方向地震作用下Ⓐ轴线框架柱x向节点位移在变大，但增加的幅度在减小。同一楼层中，x向节点位移相差很小。Y方向地震作用下Ⓐ轴线框架柱y向节点位移具有同样的规律。由表1和表2相比较，可以得出:Y方向地震作用下Ⓐ轴线框架柱层间节点位移差要大于X方向地震作用。

2.2 对柱轴力的影响分析

X方向与Y方向地震作用下Ⓐ轴线框架轴力图见图7，图8。

图7 X方向地震作用下Ⓐ轴线框架轴力图

图8 Y方向地震作用下Ⓐ轴线框架轴力图

由表3，表4数据表明，地震作用下框架柱在①轴线和⑧轴线产生的轴力较小，②轴线～⑦轴线轴力相差不大，变化率不超过3%。随着楼层的增加，框架柱轴力值在减小，并且减小的幅度越来越大［5］。通过表3和表4，可以得出:X方向地震作用下Ⓐ轴线框架柱轴力要大于Y方向地震作用。

表3 X方向地震作用下Ⓐ轴线框架柱轴力值 kN

表4 Y方向地震作用下Ⓐ轴线框架柱轴力值 kN

2.3 对梁、柱弯矩的影响分析

X方向与Y方向地震作用下Ⓐ轴线框架弯矩图见图9，图10。

图9 X方向地震作用下Ⓐ轴线框架弯矩图

图10 Y方向地震作用下Ⓐ轴线框架剪力图

表5 X方向地震作用下Ⓐ轴线柱截面弯矩值 kN·m

表6 Y方向地震作用下Ⓐ轴线柱截面弯矩值 kN·m

由表5，表6数据可以看出，随着楼层的增高，X方向地震作用下框架柱柱底弯矩和框架梁弯矩大致呈减小趋势，而在同一楼层中，①轴线框架柱弯矩较小，②轴线～⑦轴线框架柱弯矩相接近，所有框架梁弯矩相近。Y方向地震作用下Ⓐ轴线所有框架梁弯矩基本相同［6］。Y方向地震作用下①轴线和⑧轴线框架柱弯矩较大，②轴线～⑦轴线框架柱弯矩很小。X方向地震对Ⓐ轴线柱截面产生的弯矩要大于Y方向地震。

3 结语

通过软件模拟分析可以得到以下结论:

1)沿着建筑物纵向的地震对框架结构影响较大。

2)Y方向地震作用下框架柱层间节点位移差要大于X方向地震作用。

3)随着结构层数增加，高度越来越高，框架结构房屋受到的地震作用和力矩就越大，位移变形就越明显，破坏的可能性也就愈大。

4)框架柱大多在柱顶发生破坏，与梁交界处的节点下部更易

发生破坏，柱端形成塑性铰，出现裂缝。

［1］王社良.抗震结构设计［M］.武汉:武汉理工大学出版社，2012.

［2］周 旭.水平地震作用下楼梯与框架结构相互作用分析［D］.武汉:华中科技大学，2010.

［3］胡聿贤.地震工程学［M］.北京:地震出版社，2009.

［4］闫 冬，戚春香，冯清海.SAP2000结构工程分析及实例详解［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［5］石 诚.考虑双向水平地震作用的结构抗震分析与设计若干问题研究［D］.重庆:重庆大学，2004.

［6］董 可.地震作用下钢框架结构的动力性能研究［D］.北京:中国矿业大学，2013.