基于钢筋混凝土框架结构动力分析研究

占罗龙，揭建刚，陈玉春，陶武金，何鑫，刘文

（丰和营造集团股份有限公司，江西 南昌 330000）

1 引言

工程事故调查表明，框架结构在罕遇地震作用下整体抗震性能主要受到梁柱节点处性能影响[1]。框架柱与梁破坏失效有可能造成整个结构体系连续坍塌[2]，在结构设计时钢筋混凝土框架结构应设计成延性破坏。钢筋混凝土框架结构进入非弹性弹塑性阶段，内力增加很小，变形增加非常大，因此位移是控制结构在抗震分析的主要指标[3]。本文采用动力分析方法，将地震荷载输入到结构计算模型中，可得出结构任意时刻的位移、速度、加速度及应力。研究表明，框架结构的竖向水平最大位移是控制结构的经济指标[4]。采用ANSYS有限元分析，设定钢筋混凝土框架结构分析模型，对钢筋混凝土框架结构展开研究分析。ANSYS技术广泛应用于现代建筑混凝土结构中，该技术具有丰富的数据库[5]。ansys有限元方法智能化菜单引导、帮助等，为用户提供了强大的实体建模及网络的划分工具。

2 有限元分析

2.1 模型介绍

结合结构设计及工程经验，本文采用三个单跨钢筋混凝土框架进行计算，三个框架的跨度均为3.6m，框架高都分别为4.5m、6m、9m，且分别以框架1、框架2、框架 3表示（如表1，图1）。

2.2 有限元模型建立

表1 三个框架尺寸

图1 三个框架简图

框架结构的有限元模型如图2所示，将空间框架结构简化为二维模型，结构建模采用弹性单元，框架的有限元网格如图2所示。计算过程中，预设框架梁柱都不会出现质量损伤和刚度退化现象。框架所处地区地震设防烈度为8度，抗震设防类别为甲类。钢筋混凝土框架采用C20混凝土，钢筋采用HRB335。模型中，钢筋混凝土材料弹性模量为2.55×104 N/mm2，疲劳变形模量1.1×104 N/mm2，混凝土线膨胀系数1×10-5/℃，泊松比为 0.2，容重为 2400kg/m2。

图2 三个框架有限元模型图

2.3 地震荷载输入

在人类历史上第一次捕捉到的最大加速度超过300cm/s2的强震记录是在1940年美国埃尔森特罗（EL-Centro）地震波记录中获取的，该地震记录具有很强的代表性，地震记录总持时50s，本文截取前20s作为研究分析的输入荷载（如图3），前20s所包含的能量达到总能量的84.5%，满足研究要求。

3 计算结果分析

图3 1940年美国EL-Centro地震波记录

3.1 选择研究方向

钢筋混凝土框架结构分析采用的坐标系设定见图2所示，在ANSYS计算环境中X方向为横向，Y方向为竖向，Z方向为纵向。在峰值位移比较中会给出Y方向柱顶峰值位移数据来与X方向进行比较。计算分析时，本文主要研究X方向上动力响应。

3.2 框架应力分析

采用ANSYS有限元计算软件，可得出三个钢筋混凝土框架结构应力云图，文中仅给出钢筋混凝土框架X方向应力云图。

图4 框架X方向应力云图

三个钢筋混凝土框架应力随高度变化情况见图4所示，本文仅选择梁柱节点作为应力变化的讨论对象。图4中结果表明：在地震作用下，不同高度钢筋混凝土框架应力值差异较大，框架1梁柱节点处应力最小，框架3梁柱节点处应力最大。在EL-Centro地震荷载下，框架1、框架2及框架3梁柱节点处的应力峰值分别为0.414MPa、0.434MPa及0.454MPa，三个框架梁柱节点最大是最小应力的1.1倍，应力差为0.04MPa。框架3梁柱节点处应力是框架2的1.05倍，应力差为0.02MPa。同一框架的不同部位部位应力值不同、位移响应峰值不同以及加速度峰值也不同。从应力图中还可以看出，框架梁柱节点和横梁跨中应力较大，框架梁跨中挠度最大。在地震荷载作用下，框架跨度不变的情况下，随着框架高度增加梁柱节点处应力也随之增加，柱顶位移也呈现递增的规律，这种变化规律可为钢筋混凝土结构设计及研究提供相应的参考。

3.3 框架位移分析

三个框架在地震荷载作用下柱顶X方向和Y方向的位移峰值表2和图5所示。从表2和图5所显示的结果来看，同一地震荷载作用下、不同高度框架的位移峰值差异均显著，相同部位、不同方向上的位移峰值的差异也较大。

表2 框架柱顶位移（×10-3mm）

从图5中还可以得出X方向上的位移明显比Y方向上的位移大很多。框架3柱顶X方向位移峰值最大，达到了9.79×10-3mm，比框架2柱顶X方向位移峰值大3.30倍，比框架1柱顶X方向位移峰值大14.03倍。同时框架3柱顶Y方向位移峰值达到了0.104×10-3mm，比框架2柱顶Y方向位移峰值大1.82倍，比框架1柱顶Y方向位移峰值大5.84倍。从图6中可知，框架随着高度的增加，在地震荷载下顶部的位移就相应的增加，且Y方向位移要比X方向上的小很多，是因为在ANSYS计算环境中框架结构Y方向刚度远大于X方向，刚度是影响结构位移重要因素。本文研究的最大高度是9m，实际生活中存在更高的钢筋混凝土框架结构，有待进一步进行分析研究。

图6 三个框架柱顶X方向位移

图7 三个框架柱顶Y方向位移

4 结论

本文利用ANSYS有限元软件对钢筋混凝土框架结构进行动力计算分析，ANSYS软件的计算精度较高，计算结果更直观。利用该软件会大大提高设计人员对钢筋混凝土框架结构计算的能力。在钢筋混凝土结构无刚度退化和质量损伤情况下，对结构应力、位移进行对比分析，结果显示坝体在X方向上的最大应力要大于Y方向的最大应力，所以X方向是以后检测与监测的主要方向。研究还表明，随着框架结构高度增加，钢筋混凝土结构梁柱节点应力和柱顶位移也随之增加。本文只对单榀框架进行动力分析，对钢筋混凝框架空间动力分析研究还有待进一步探索。