基于ANSYS的高层框架结构地震响应分析

四川建筑 第卷6期 1 基 于ANSYS的 高 层 框 架 结 构 地 震 响 应 分 析 母恩喜 陈国平 西南科技大学 四川绵阳611002 摘 要 运用大型通用有限元软件ANSYS 采用其自带的APDL语言进行三维框架结构建模 对一18 层框架混凝土结构进行了抗震性能的计算分析 包括模态分析 时程分析 以及结构在地震作用下的变形和随 地震波的内力响应情况等 关键词 框架结构 ANSYS APDL 地震波 地震响应 时程分析 中图分类号 T U35211 2 文献标识码 A 目前框架结构仍然是最常见的结构形式 对其进行研究 分析还有一定的现实意义 现在广泛应用的专业结构设计 软件 采用了过多的假定 计算结果往往误差偏大 对于一 些重要的建筑 可能会有严重的危害 这已经引起了设计人 员广泛的关注 有些重要的建筑会要求用有限元软件进行计 算分析 ANSYS作为大型通用有限元软件 已经在很多领域 广泛应用了 但对于结构设计的一线人员用得还不多 本文 就尝试用ANSYS对常见的高层框架混凝土结构进行分析 1 工程概况 本文计算的为一框架 筒体结构 层高3 m 总18层 结 构总高度54 m 其平面布置如图1 结构模型参数见表1 图1 结构平面示意 表1 结构模型参数 构件截面尺寸 m 混凝土强度等级 弹性模量E MPa 框架柱111 111C403125 104 外环梁014 016C403125 104 内框架梁015 018C40 3125 104 次梁013 015C40 3125 104 筒体墙肢013C40 3125 104 楼层面板012C30 3100 104 外围墙体012C30 3100 104 2 有限元建模及模态分析 211 单元介绍 梁柱选用BEAM188 墙 板选用SHELL63 BEAM188 该单元是建立在Ti moshenko梁分析理论基础 上的 计入了剪切效应和大变形效应 故可以考虑剪切变形 和翘曲 同时也支持大转动和大应变等非线性 而且可以直 接显示梁截面上的应力和变形 适合于从细长到中等粗短的 梁结构 定义时需要三个节点 定位节点与主节点应位于同 一个平面内 以确定梁的截面主轴方向 与其他的梁单元相 比 BEAM188有更强的非线性分析能力 而且有强大的横截 面定义功能 能够自由定义各种截面 常用的命令有 SECTYPE 定义梁截面的I D号 截面形状以及截面 网格加密水平 SEC DATA 指定横截面的类型以及参数 P USS OL 输出梁单元横截面的计算结果 212 有限元建模 对于比较规则的结构采用ANSYS自带的APDL语言 用 命令流建模十分方便 而且便于修改和移植 运算速度也比 较快 本文用的主要命令流为 p rep7 et 1 bea m188 梁单元类型 et 2 shell63 筒体 楼板及外墙单元类型 mp ex 1 3125e10 C40混凝土 mp p rxy 1 012 泊松比 mp dens 1 2700 密度 sectype 1 beam rect 框架柱截面定义 secdata 111 111 k 5000 22 8 72 设置bea m188单元节点的方向 3do i 1 1021 60 生成模型 l i i 60 3enddo 建成的有限元模型如图2 213 模态分析 一般结构的前几阶振型起到主要作用 因此在计算时也 主要提取前几阶的振型来分析 本文用ANSYS中的Lancz o s 法提取了前6阶的振型 用ANSYS的模态求解 很容易得 出前6阶频率 表2 收稿日期 2007 12 05 作者简介 母恩喜 硕士研究生 陈国平 副教授 工程结构 282008 12 901 四川建筑 第卷6期 1 图2 框架结构有限元三维模型 表2 模态分析前6阶频率 SETTI ME FREQLOAD STEPSUBSTEP 111588211 221565612 331131713 451422414 561513215 661647816 鉴于结构分析常用前两阶振型计算 现把结构前两阶振 型表示为 第一振型为水平Y向的平动 第二振型为绕Z轴的转动 图3 图4 图3 第一振型图4 第二振型 图5 结构总体合位移图6 结构X方向位移 图7 地震作用下等效应力图 3 地震响应分析 31 地震时程分析 地震是一种常遇而又危害极大的自然现象 在地震中心 地面先是上下震动 然后又水平震动 对高层建筑结构来说 水平作用是最主要的 本文选取天津宁河波来分析 为了 便于用AN SYS进行时程分析 需要把地震波的数据做成两 个文本文件 文本一 ACELX TXT存储时间和水平面方向 的加速度两列数据 文本二 ACELY TXT存储时间和竖向加 速度两列数据 文件中数据的格式为 第一列时间数据顶 格 第二列加速度数据 若为正则与第一列空两格 若为负 则空一格 做好的文件一定要放在ANSYS工作目录下 然 后直接读入地震波数据 分析结果见图5 图7 顶部角点位移变化曲线 见图8 图9 图8 UX TI ME曲线图9 UY TI ME曲线 312 地震响应结果分析 从结构的整体合位移知道 上部角点的位移明显最大 这 是因为地震力从基础传入后 由于结构的刚度不够大 必然会 放大底部的变形 第一阶振型的平动导致上部位移加大 再加 上地震作用下结构的第二 三阶的扭转 角点位移更一步加 大 从等效应力图可以看出 结构底部角点的应力明显较大 这给我们的结构设计时的构造设计提供了方向 这也就是 建 筑抗震设计规范 规定结构底层 角点柱筋要加强的原因 4 结论及建议 1 用ANSYS分析高层框架结构是方便可行的 建立的 三维有限元模型进行地震反应分析 更能符合实际情况 能 更加真实反应结构的内力及变形 2 由于AN SYS在动力分析时 结构上的恒载及活载是 不参于结构计算的 而 建筑抗震设计规范 51113明确指 出 计算地震作用时 建筑的重力荷载代表值应取结构和构 件自重标准值和各可变荷载组合值之和 故进行实际结构 计算时要考虑把荷载转化为结构的质量进行分析计算 以符 合实际情况和规范要求 3 建议在一线的结构设计人员尝试用大型通用有限元 软件ANSYS进行结构设计的复核校验 以完善和推动我国 的结构设计电算化的发展 参 考 文 献 1 G B 50011 2001建筑抗震设计规范 S 2 李承铭 王国俭 复杂高层抗震性能分析 J 太原理工大学学 报 2006 3 3 黄怡 王原清 框架 支撑钢结构抗震性能的有限元分析 J 四川建筑科学研究 2005 6 4 沈聚敏 周锡元 高小旺 等 抗震工程学 M 北京 中国建筑 工业出版社 2000 5 王呼佳 陈洪军 AN SYS工程分析进阶实例 M 北京 中国水 利水电出版社 2006 6 李围 ANSYS土木工程应用实例 第二版 M 北京 中国水 利水电出版社 2007 7 尚晓江 邱峰 ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用 M 北京 中国水利水电出版社 6 工程结构 282008 12 1 200 011