基于ANSYS的支撑框架结构地震反应谱分析

第 38 卷第 3 期 2012 年 6 月 四川建筑科学研究 Sichuan Building Science 收稿日期 2010 12 10 作者简介 李坤 1986 男 四川绵阳人 硕士研究生 研究方向 为工程结构数值分析 E mail likun07505054 163 com 基于 ANSYS 的支撑框架结构地震反应谱分析 李坤1 田兴运1 苏 雷2 侯春娇1 1 西北农林科技大学土木工程系 陕西 杨凌712100 2 哈尔滨工业大学土木工程学院 黑龙江 哈尔滨150090 摘要 利用 ANSYS 对一斜支撑框架结构建立有限元模型并分析该结构的动力特性和地震荷载作用下的弹性响 应 对该结构进行模态分析 求出前 5 阶的频率和模态振型 分析得出支撑框架结构的动力特性 进行结构地震 反应谱分析考察地震作用下各个构件受力特点 为斜撑框架结构设计提出一些建议和结论 关键词 有限元 模态分析 反应谱求解 ANSYS 中图分类号 TU375文献标识码 A 文章编号 1008 1933 2012 03 193 05 Seismic response spectrum analysis of braced RC moment frame structure based on ANSYS LI Kun1 TIAN Xingyun1 SU Lei2 HOU Chunjiao1 1 Department of Civil Engineering Northwest A F University Yangling712100 China 2 Dep of Civil Engineering Harbin Institute of Technology Harbin150090 China Abstract Use the large scale structural analysis software ANSYS to make finite element model for a braced frame structure analyse the braced frame structure dynamic properties and the elastic response of structures under seismic load Do structure modal analysis find the top 5 steps of frequencies and mode shapes coming to the dynamic characteristics of the braced frame structure Conduct seismic response spectrum analysis and study the mechanical characteristics of each component under seismic load offerting some suggestions about the braced frame design Key words finite element modal analysis response spectrum solution ANSYS 0引言 钢筋混凝土支撑框架结构也称钢筋混凝土框 桁架结构 这种结构是用支撑来取代框架剪力墙中 抗震墙片 具有抗侧刚度大 结构自重小的特点 斜 撑和框架结构的协同工作使得抗侧能力增强 抗震 性能大大提高 因此 钢筋混凝土支撑框架结构在 未来的高层建筑有广阔应用前景 我国对钢筋混凝土斜撑框架结构的研究比国外 稍晚一些 如 邓秀泰分析了由杆件所构成的框 桁 架体系的抗震性能 并与纯框架和框架实体剪力墙 的弹性抗震性能作了对比分析 结果表明框 桁架 体系是一种受力合理 经济的抗震结构形式 1 李 天对框 桁架结构进行了 1 4模型的计算机联机系 统模拟动力试验 分析这种新型抗震体系在地震作 用下的破坏机理和动力特征 提出 强柱 中梁 弱腹杆 的设计原则 试验结果说明框 桁架体系 有良好的抗震性能 2 王新玲对上部为小开间而 下部为大开间布置的建筑物 在下部大开间层用框 桁架结构代替框架抗震墙 这种布置增加了下部 结构变形协调性 使结构具有良好的延性 3 石晓 蕊根据斜撑框架结构振动台试验模型建立有限元计 算模型 采用空间结构有限元分析程序 SAP93 进行 模态分析 计算了模型在单向及三向地震波作用下 的动力时程响应 并考察了支撑取不同计算单元时 对结构动力特性造成的影响 4 本文对一实例钢筋混凝土支撑框架结构建立有 限元模型 进行结构模态分析 求解了前 5 阶的频 率与振型 并对频率和振型结果进行逐一讨论 得出 结构的动力特性 用反应谱法和平方和开平方法 SRSS 组合计算结构在横向地震作用下的地震响 应 通过对地震作用下结构响应分析得出结构的受 力特点 并对该结构设计提出一些建议和结论 1ANSYS 建立结构有限元模型 1 1钢筋混凝土支撑框架结构工程介绍 本次研究对象是一栋 9 层钢筋混凝土支撑框架 391 结构办公楼 平面尺寸为 24 m 36 m 各层柱截面 均为 0 6 m 0 6 m 底层层高 4 5 m 其它层层高 3 m 各层梁截面均为 0 3 m 0 6 m 各层混凝土支撑 截面为 0 25 m 0 3 m 楼板厚度为 0 12 m 混凝 土统一采用 C30 混凝土 结构平面布置如图1 所示 图 1支撑框架结构平面布置 Fig 1The braced RC frame sturcture layout 1 2单元的选取与参数设定 采用梁单元 BEAM188 来模拟框架梁 框架柱 支撑 采用壳单元 SHELL63 单元来模拟楼板 结构 阻尼系数为 0 05 模型所用详细参数列于表 1 表 1模型参数 Table 1Parameters of structure modal 构件单元类型 截面尺寸 m 混凝土 级别 密度 kg m3 弹性模量 Pa 框架柱BEAM1880 6 0 6C3027003 0E10 框架梁BEAM1880 3 0 6C3027003 0E10 框架支撑BEAM188 0 25 0 3C3027003 0E10 楼板SHELL630 12C3027003 0E10 1 3建模假定 由于结构基础埋置较深 周围回填土对结构平 动约束强 结构处于较好的持力层 竖向荷载下结构 的沉降很小 因此建模时 对模型底部节点施加全约 束 钢筋混凝土支撑框架结构支撑施工钢筋满足锚 固长度要求 所以假定支撑端节点和梁柱节点有相 同的节点线位移和角位移 建立结构的有限元模 型 如图 2 所示 2结构模态分析 固有频率和模态振型是结构的重要动力特性 对动力荷载下结构的响应起关键作用 本次采用的 结构模态分析方法为子空间法 Subspace 求解 8 阶模态 同时需作模态扩展 扩展的模态阶数为 8 阶 并且计算单元的应力和应变 计算得出支撑框 架结构的前 5 阶固有频率以及对应的振型 各阶频 率计算结果列于表 2 图 2支撑框架结构有限元模型 Fig 2Finite element modal of the braced structure 表 2支撑框架结构固有频率 Table 2Nature frequence of the braced RC frame 振型第 1 阶第 2 阶第 3 阶第 4 阶第 5 阶 结构频率1 03562 07932 14423 22865 7795 2 1第 1 阶结构频率和模态振型分析 结构第1 阶振动频率为1 0356 Hz 对应振动周 期为 0 965 s 模态振型位移节点解如图 3 所示 图 3第 1 阶模态节点位移解 Fig 3Nodal displacement solution of the first step modal 由图 3 可知 第 1 阶振型主要是结构的纵向振 动 纵向框架比横向框架多布置两跨 但第 1 阶振 型反映结构的纵向振动 这说明结构横向刚度大于 结构纵向刚度 支撑的布置能显著改善结构横向刚 度 491四川建筑科学研究第 38 卷 在结构设计时 为使结构纵横向刚度接近 可以 适当的减少支撑数量或者是加强纵向框架刚度 若 不能充分估计纵横向框架刚度差异 设计时应对结 构纵 横向分别进行结构抗震验算 由图 3 b 可知 在各层层高范围内纵向框架柱 侧向位移值沿柱高有突变 即各层柱侧移曲线存在 反弯点 这说明纵向框架变形曲线为剪切型 底层 柱侧向位移反弯点在距柱底约 2 3 处 这与传统的 框架结构 D 值法得出的结论是相一致的 如图4 a 所示 横向框架支撑的布置只会显著的增加结构的 横向刚度 纵向框架的变形特点并没有发生改变 计算方法仍然可以采用 D 值法 图 4纵向框架振型简图 Fig 4Simplified diagram of vertical RC frame modes 2 2第 2 阶结构频率和模态振型分析 第2 阶结构振动频率为2 0793 Hz 对应振动周 期为 0 4824 s 模态振型位移节点解如图 5 所示 图 5第 2 阶模态节点位移解 Fig 5Nodal displacement solution of the second step modal 由图 5 可知 第 2 阶振型主要是结构扭转振动 由于结构纵横向刚度差异较大 支撑框架结构在低 频率下就出现扭转振动 本结构平面和立面布置都 十分规则即刚度中心和质量中心相互重合 因此扭 转中心位于结构楼层形心处 楼面上以楼面形心为 圆心的圆周上各节点位移基本相同 为避免在低频 率下出现扭转振型 在进行结构布置时应控制纵横 向框架抗侧刚度比 结构的扭转振型中房屋顶部四 角存在较大的集中变形 设计时应加强房屋顶部四 角的构件 2 3第 3 阶结构频率和模态振型分析 第 3 阶结构振动频率为 2 144 Hz 对应振动周 期为 0 466 s 模态振型位移节点解如图 6 所示 图 6第 3 阶模态横向支撑框架节点位移解 Fig 6Nodal displacement solution of the third step modal on horizontal RC frame 第 3 阶振型主要是结构的横向振动 由图 6 可 知 横向支撑框架各层柱没有明显的反弯点出现 这 说明支撑布置改变了原有横向框架的受力状态 进 行结构的横向分析时应该按支撑和框架的协同工作 分析 2 4第 4 阶结构频率和模态振型分析 第 4 阶结构振动频率为 3 229 Hz 对应振动周 期为 0 303 s 模态振型位移节点解如图 7 所示 由图 7 可知 第 4 阶振型主要是结构的纵向振 动 纵向框架振型曲线与多质点模型振型曲线相 似 如图 4 b 所示 第 4 阶振型中纵向框架各层柱 仍然有明显的反弯点出现 2 5第 5 阶结构频率和模态振型分析 第 5 阶结构振动频率为 5 779 Hz 对应振动周 期为 0 173 s 模态振型节点位移解如图 8 所示 由图 8 可知 第 5 阶振型主要是结构的纵向振 动 纵向框架各层柱有明显的反弯点出现 振型曲 线仍与多质点模型振型曲线相似 如图 4 c 所示 纵向框架的变形曲线为剪切型 3结构地震作用下反应谱分析 该支撑框架结构抗震设防烈度为 8 度 设计地 5912012 No 3李坤 等 基于 ANSYS 的支撑框架结构地震反应谱分析 图 7第 4 阶模态节点位移解 Fig 7Nodal displacement solution of the fourth step modal 图 8第 5 阶模态节点位移解 Fig 8Nodal displacement solution of the fifth step modal 震分组为第二组 场地类别为 类 结构阻尼系数为 0 05 按多遇地震进行弹性分析 采用反应谱法