基于ANSYS的异形柱框架结构地震反应的建模分析

王军芳

(1.工程材料与结构加固福建省高等学校重点实验室，福建 三明365004；2.三明学院 建筑工程学院，福建 三明365004)

基于ANSYS的异形柱框架结构地震反应的建模分析

王军芳1,2

(1.工程材料与结构加固福建省高等学校重点实验室，福建 三明365004；2.三明学院 建筑工程学院，福建 三明365004)

以某钢筋混凝土异形柱框架结构振动台模型试验为基础，结合有限元软件ANSYS，对异形柱框架结构地震作用下动力反应进行模拟分析研究。利用AYSYS模拟地震波的输入，研究结构在地震作用下的模态、动力响应和各层楼板最大位移反应等；通过结果对比，来验证本文中所采用计算模型的合理性及软件的可靠性，为今后ANSYS进一步分析异形柱框架结构的抗震性能提供可靠的参考。

ANSYS;异形柱框架结构;建模;地震反应

随着异形柱结构体系在工程上尤其是地震区的推广及应用[1]，其整体结构的抗震问题越来越突出。本文利用ANSYS对异形柱框架的整体抗震性能进行了分析研究，先对文献[2]中振动台上完成的一个异形柱框架结构试验模型的原型进行模拟分析，利用AYSYS模拟地震波的输入，研究结构在地震作用下的模态、动力响应和顶层楼板最大位移反应；通过对比验证ANSYS计算模型的合理性及软件的可靠性，为分析罕遇烈度下异形柱框架结构整体抗震性能提供可靠建议。

1 地震动台试验简介

试验的研究对象为6层异形柱框架结构，8度(0.2 g)，场地类别Ⅱ类（第二组），抗震级别为2级。结构原型为比较规则的住宅结构，按目前的规程[3]进行设计。结构平面布置见图1，计算模型见图2。异形柱截面形式见图1及图3，柱肢长700 mm，肢厚250 mm，柱配筋见表1，柱混凝土C45，梁板混凝土C30，所有构件保护层厚度均取30 mm。

图1 原型标准层柱网结构布置 (单位:mm)

图2 计算模型(单位:mm)

图3 异形柱截面尺寸(单位:mm)

表1 异形柱截面配筋表

2 选取计算模型

2.1 模型的选取

考虑到振动台实验模型的空间整体性，用ANSYS对异形柱整体框架结构建模时选取空间杆件模型。由于ANSYS软件中单元种类的多样性，经分析比较楼板选用“shell63”模拟，梁和柱选“beam189”模拟。鉴于异形柱的截面不规则性，选用ANSYS二次编程，借助beaml89将异形柱横截面分解为多个小单元，并对每部分直接指定材料模式，可以较准确地分析异形柱框架结构的非线性质。

2.2 异形柱截面形式的建立

模型分析时，采用APDL语言创建异形柱截面形式。惯性矩采用如图1对结构轴线计算的方式，根据文献[4]可知，该模式的结果计算值更接近于实验值。

2.3 计算参数的处理

本计算模型赋予各个单元正交各向异形弹性体的材料属性。每个方向的弹性模量为按照实际混凝土及钢筋强度通过配筋率换算所得的等效平均弹性模量。在建模过程中将每块楼板都划分成了若干单元与平面，以保证ANSYS的计算结果的精确性。底层柱与基础刚接，不考虑基础与上部结构的共同作用。

（1）地震波的选取

进行地震反应分析时，不同的地震波输入进行的时程分析结果也不同。 而地震动的频谱特性、有效峰值、持续时间是正确选取输入的地震加速度时程曲线的关键。为准确对比分析，本模型选用与振动台试验模型一致的El-Centro南北向地震波（地震加速度时程曲线的持续时间为7.98 s，时间间隔为 0.02 s），如图 4。

图4 EL-Centro南北向地震波

（2）结构阻尼

结构阻尼采用工程应用较广泛的Rayleigh阻尼来确定，阻尼比通常取为0.05。

（3）恢复力曲线的选取

对计算模型中的梁和柱单元，均采用文献[5]试验所得的能较好地描述钢筋混凝土异形柱构件的受力全过程的考虑刚度退化的三线型恢复力模型（如图5）。

图5 三线型恢复力模型

3 计算结果分析

进行结构动力特性分析时，有经验公式、理论研究及软件分析等多种方法，本文利用通用有限元分析软件ANSYS对异形柱框架结构试验模型的原型进行建模计算，并将计算结果与试验研究的结果对比分析。

3.1 动力特性分析

表2列出了计算模型的自振周期的计算值与试验值。结果表明：ANSYS计算模型的前3阶振型和计算周期与振动台试验模型的原型结果吻合度较好，且振型形态基本一样，图6给出了该结构模型的前3阶振型示意图。分析可知用ANSYS分析异形柱框架结构的动力特性准确性较为合理。

表2 结构模型振型及频率（Hz）的计算结果

图6 振型示意图

3.2 地震地震反应分析

在8度(0.2g)多遇烈度和罕遇烈度的地震波作用下，楼层的最大相对位移见表3、图7和图8。

表3 地震波作用下结构楼层相对位移最大值

图7 8度(0.2g)多遇烈度时楼层相对位移最大值

图8 8度(0.2g)罕遇烈度时最大相对位移对比值

在8度(0.2g)多遇烈度和8度(0.2g)罕遇烈度的地震波作用下，楼层层间位移最大值见表4、图9和图10。

表4 地震波作用下结构楼层相对位移最大值

由表3、表4及图7、图8、图9及图10可知，地震波的作用下的ANSYS计算出来的相对位移反应最大值、层间位移反应最大值与试验值结果走势相近，均在2层及3层体现出较大的层间位移值，可知ANSYS分析有限元软件用于异形柱框架结构的弹塑性地震反应分析可行的。

由ANSYS计算出来的楼层层间位移角最大值如表5，楼层相对位移角最大值出现在第二层和第三层，即薄弱部位出现在第二层、第三层，与试验结果大致相同，由此说明ANSYS模拟异形柱框架结构地震反应的可行性。

图9 8度(0.2g)多遇烈度时楼层层间位移最大值

图10 8度(0.2g)罕遇烈度时楼层层间位移最大值

4 结束语

结合通用有限元软件ANSYS对异形柱框架结构振动台模型试验进行了建模研究。分析得知：楼层层间相对位移最大值及楼层层间位移角最大值均出现在二、三层处，与8度烈度区6层异形柱框架结构薄弱层出现在第二及第三层的试验结果相一致，验证了所选取空间杆系力学计算模型的可行性及简化处理的合理性，为今后用ANSYS进一步分析异形柱框架结构的抗震性能和数值试验奠定了可靠的基础。

表5 地震波作用下结构楼层层间位移角最大值

[1]巩伟平，杨靖，高怀明．混凝土异形柱结构研究进展[J]．工业建筑，2013（s1）：236－239.

[2]张永强．八度区异形柱结构体系的抗震性能试验研究[D]．上海：同济大学，2005．

[3]中华人民共和国行业标准．混凝土异形柱结构技术规程（征求意见稿）[S]．2012．

[4]李冰.钢筋混凝土异形柱框架结构非线性地震反应分析[D]．长沙：湖南大学，2005

[5]曹万林．不同方向周期反复荷载作用下T形柱的性能[J].地址工程与工程震动，1995（4）：77-84.

Research of Dynamic Structures with Special-shaped Columns by ANSYS Program

WANG Jun-fang1,2
(1.Key Laboratory of Engineering Material&Structure Reinforement Fujian Province University,Sanming 365004 China 2.School of Civil Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China)

Based on shaking table model test and using general-purpose finite element program ANSYS,the dynamical-response of the seismic action of R C frame with special-shaped columns （FSSC）is analyzed in the paper.The seismic wave,the modal,dynamic response and maximum displacement reaction of each floor slab are studied by using AYSYS to simulate the input.The rationality of the calculation model and the reliability of the software ANSYS are verified in this paper by comparing the calculated results with the test results,so as to provide a reliable reference for the further analysis of the seismic performance with the FSSC.

ANSYS;frame with special-shaped columns；modeling； seismic response

TU375.4

A

1673-4343（2017）06-0089-06

10．14098/j．cn35－1288/z．2017．06．014

2017-07-08

福建省中青年教师教育科研项目基金(JA15472）；三明学院教育改革项目（J1421）

王军芳，女，河南漯河人，讲师。主要研究方向：混凝土结构。

朱联九）