某北方村镇框架结构民宅动力特性分析

高 冉 苏义坤 崔真榕

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

·结构·抗震·

某北方村镇框架结构民宅动力特性分析

高 冉 苏义坤 崔真榕

(东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150040)

为了研究北方村镇中单层框架结构体系民宅的动力特性，采用有限元软件ANSYS对某北方村镇民宅的主框架建立三维有限元模型，并计算了主体框架的前六阶主振型，得到了前六阶振型的结构自振频率、周期、主振型特点等动力特性参数，所得到的结论可以为北方村镇框架结构体系民宅的抗震设计提供依据。

北方村镇，框架结构，动力特性

0 引言

近年来国内外地震频发，2015年4月的尼泊尔大地震、2014年的云南鲁甸地震以及2008年的汶川大地震等等，这些地震既造成了大量经济损失，同时由于地震发生多处于村镇地区，而村镇民宅结构的抗震性能较弱，也带来了大量的人员伤亡。因此对于村镇民宅进行动力特性的分析是很有必要的。

随着我国社会主义新农村建设的持续开展，越来越多的村镇民宅由原来的砖混结构改建成抗震性能较好的框架结构，而随着深化改革的进行，未来框架结构的村镇民宅建筑将会占据较大的比例。本文以某北方村镇民宅为计算模型，对其进行模态分析，得到单层框架结构的动力特性参数。

1 计算模型

根据相关文献调查可知，我国北方村镇民宅大多都是独栋院落式单层建筑，由于我国北方地区天气寒冷，村镇居民生活简陋，其村镇民宅的平面布局主要是“一明两暗”的形式，我国北方村镇民宅的传统户型以长方形为主，沿南北向布置，一般只具备简单的“吃”与“住”的功能，其某单层框架型的北方村镇民宅的结构图如图1所示[1]。

运用ANSYS12对民宅结构的主体框架建立三维有限元模型，模型采用Beam188梁单元，建立模型以后将单元划分网格并在立柱处施加固定约束，对模型施加自重荷载。建立的有限元计算模型如图2所示。

2 动力特性分析

对结构进行动力响应分析的基础是了解结构的动力特性。框架结构的动力特性参数主要有自振频率、自振周期以及主振型等。在ANSYS中，通过模态分析可以得到框架结构相关的动力特性参数，主要思路是将框架结构离散化，并将有限元矩阵进行解耦进而转化为求矩阵特征值的办法，然后进行求解可以得到结构的动力特性参数。

在ANSYS中对框架结构进行动力分析有多种办法，本例采用Subspace法对该框架体系进行动力分析并且提取结构前六阶模态的自振频率、自振周期以及主振型图。所提取的动力特性参数如图3所示。

根据图3中所显示的该单层框架结构北方村镇民宅的动力特性可以看出，随着模态阶数的增加，单层框架结构的自振频率在不断的增大，而自振周期在不断的减小，而增减的幅度随着阶数的增大也在不断提升，但前六阶模态的频率总体变化不是很大，第六阶模态的自振频率为20.334 Hz，仅为第一阶模态自振频率12.246 Hz的1.69倍。在第一阶模态中，主要是主梁跨中的轻微上翘，而上翘幅度最大的主梁则是跨径最大的主梁，因此在振动过程中最容易破坏的就是大跨度的主梁，在结构设计时应注意抗震，而在第一阶模态中立柱的变形很小。第二阶模态的自振频率较第一阶模态频率稍大一点，其变形开始出现在其他的主梁上，此时主梁的变形仍以竖弯为主，由于梁体变形引起了梁柱之间刚节点的变形，此时的立柱也发生了轻微的侧移。在第三阶模态中，柱体的变形持续增大，且最大变形处位于梁柱的刚节点处。在第四阶模态里，最长跨径的主梁开始出现侧弯，第五、第六阶模态的主要变形仍是上部主梁的侧弯变形，且变形的位置不断改变，变形的幅度越来越大，由于主梁侧弯引起的立柱的侧移和横移，最后导致框架整体的大幅度变形。在前六阶变形中，并未出现梁柱的扭转变形，这说明单层框架结构的抗扭能力较好。

3 结语

通过对我国北方村镇某框架结构民宅的动力特性分析，我们可以看出框架结构的抗震动性能较好，第一阶模态发生于10 Hz以上的频率。而前六阶模态的振动频率依次增大但相差不多，因此在振动发生时，此类结构很容易因为连续的振动变化而损伤。在前六阶模态里，振型变化主要是主梁的变形，在低频率下主梁发生竖弯，高频率时主梁发生横弯变形，且跨径大的主梁更易发生变形，主梁的变形引发的附加荷载会从刚节点传到立柱，引起立柱变形，因此在抗震设计时应注意加固。

[1] 赵加宁，王东魁，严柳生.冷冻空调系统添加剂之节能应用[A].全国暖通空调制冷2010年学术年会论文集[C].2010.

[2] 李廉锟.结构力学[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3] 傅志方.模态分析理论与应用[M].上海：上海交通大学出版社，2000.

[4] 苏义坤,赖卓平,姚 琪.我国村镇非标民宅功能现状调查与分析[J].经济师,2015(1):19-20.

[5] 何钰龙.人行钢桁架桥动力特性及反应谱分析[J].黑龙江工程学院学报，2015，29(1):12-15.

Analysis of dynamic characteristics of frame structure houses in northern rural areas

Gao Ran Su Yikun Cui Zhenrong

(NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study dynamic characteristics of single frame system in northern villages houses, the main frame of the finite element software ANSYS to a northern village houses the establishment of three-dimensional finite element model, the main frame of the first six order vibration mode and structure calculation, the first 6 modes of vibration frequency, cycle, the main vibration characteristics the dynamic characteristic parameters are obtained, and provide the basis for seismic design of the results for northern villages frame houses.

northern villages, frame construction, dynamic characteristics

2015-04-23

高 冉(1992- )，男，在读本科生; 苏义坤(1972- )，男，博士，教授； 崔真榕(1993- )，女，在读本科生

1009-6825(2015)19-0020-02

TU311.3

A