框架支撐鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的有限元分析

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1、四川建筑科學(xué)研究 Sichuan Building Science 第 31 卷 第 6 期 2005年12月 收稿日期：2004212206作者簡(jiǎn)介：黃怡（1980-,女,上海人,碩士研究生,主要從 事鋼結(jié)構(gòu)抗震性能研究。 框架一支撐鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的有限元剖析 黃 怡，王元清，石永遠(yuǎn) （清華大學(xué)土木匠程系，清華大學(xué)結(jié)構(gòu)和振動(dòng)教育部要點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084 摘 要：最近幾年來(lái)，我國(guó)的大中城市接踵出現(xiàn)了大量的中高層鋼結(jié)構(gòu)建筑?？? 架一支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)作為中高層的一種結(jié)構(gòu)形式被寬泛采納。本文運(yùn)用大型通用 有限元軟件ANSYS ,,一支撐鋼結(jié)構(gòu)建 筑進(jìn)行了抗震性能的計(jì)算剖析，剖

2、析包含 模態(tài)剖析、反響譜剖析橫向變形和支撐隨處震波的內(nèi)力響應(yīng)狀況等。要點(diǎn)詞：支 撐框架；中圖分類號(hào)：文章編號(hào)：1008-1933（2005 06-0140-04 1 概 述 中高層建筑平面部署靈巧,又可在必定程度上 提升土地利用率,在大中城市發(fā)展快速。框架一支 撐鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是中高層建筑 運(yùn)用最多的一種系統(tǒng)，它與純鋼框架結(jié)構(gòu)對(duì)比有諸多長(zhǎng)處，比如：增添了整體剛度和 抗側(cè)力能力，減少了用鋼量，梁、柱節(jié)點(diǎn)承 受的彎矩小，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單等等 [6]。 當(dāng)前,關(guān)于中高層的動(dòng)力方面研究已經(jīng)許多,各 種專業(yè)軟件紛繁投入運(yùn)用?？墒?關(guān)于立面較不規(guī)則的建筑的地震剖析，特別是大震下的非線性時(shí)程分 析還不

3、是很成 熟，若采納某些專業(yè)軟件進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì) 算，因?yàn)橛玫降募僭O(shè)許多，其計(jì)算結(jié)果偏差偏大， 且關(guān)于局部結(jié)構(gòu)的剖析不夠完整。跟著微機(jī)性能的不斷提升，此刻大型通用有限元 軟件用于土木行業(yè),對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行剖析已經(jīng)成為可能 。所以采納ANSYS作 為計(jì)算軟件,其瞬態(tài)剖析使得多層、高層 以及超高層的彈性/彈塑性時(shí)程剖析成為可能[7] 下邊,聯(lián)合一中高層框架 一支撐鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 實(shí)例，用通用軟件ANSYS對(duì)結(jié) 構(gòu)的動(dòng)力特征及抗震性能進(jìn)行剖析。2工程背景 河北省廊坊市某綜合服務(wù)中心為框架一支撐鋼結(jié)構(gòu)建筑，地上8層，局部9 層，總高度38m ,結(jié)構(gòu) 東西方向長(zhǎng)3814m ,南北方向?qū)?612m。梁柱

4、節(jié)點(diǎn) 采納雙向 剛接，采納Q345鋼材。荷載工況見(jiàn)表1。柱腳剛接。其結(jié)構(gòu)平、立面如圖1 所示，支撐部署位 置見(jiàn)圖1(a平面圖虛線地點(diǎn)。 表1建筑荷載 樓 面屋 面 恒載 /(kN/m 2 415015 活載 /(kN/m 2 210015地 震 m類場(chǎng)所，8度抗震,按第1組設(shè)計(jì)計(jì)算 該結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中已用P KPM軟件進(jìn)行靜 力和抗震性能剖析,用ANSYS軟件對(duì)靜力性能進(jìn) 行校核。依據(jù)P KPM軟件設(shè) 計(jì)獲得的該結(jié)構(gòu)主要的梁柱截面尺寸見(jiàn)表2。 表2 主要截而尺寸 /mm樓層 柱（箱型 主梁（工型次梁（ 工型 支撐 123456789 350 X350X 18

5、 350 X350X 16 350 X 350 X 14400 X 200 X 8X12 350 X200 X 8X10 2[20a 現(xiàn)用ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征作進(jìn)一步計(jì) 算[5],包含模態(tài)剖析、反響譜剖析、彈性/彈塑性時(shí) 程剖析,結(jié)構(gòu)在地震作 用下的橫向變形和支撐隨處震波的內(nèi)力響應(yīng)狀況等。3有限元建模及模態(tài)剖析 311 單元選擇 依據(jù)結(jié)構(gòu)的特色與要求,參照ANSYS的單元 手冊(cè)綱要,選擇了 4個(gè)單元種類,分 別為 beam 188（梁、柱,link 8（支撐,mass 21（質(zhì)量塊,shell 181（樓板。 建筑用鋼材取初始折服面知足Mises準(zhǔn)則，流動(dòng)規(guī)則為Pra

6、ntl — Ruses規(guī)則。 簡(jiǎn)化地采納理想彈塑性資料模型。 041 口（tm “便梅魚(yú)而 圖1結(jié)構(gòu)平面及立面 312有限元建模 該結(jié)構(gòu)立面不規(guī)則,質(zhì)心和剛心不重合,結(jié)構(gòu)的 扭轉(zhuǎn)振型不行忽視,因此采納三維有限元建模,依據(jù)實(shí)質(zhì)工程的尺寸,采納分層建 模的方式建模?？紤] 高階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)影響不大，網(wǎng)格區(qū)分不 需要很密，這 點(diǎn)和靜力剖析的網(wǎng)格區(qū)分有所差別 。模型規(guī)模：節(jié)點(diǎn)數(shù)目1099個(gè)、單元個(gè)數(shù)2274 個(gè)。模型示建議圖2 圖2 三維整體模型 313 模態(tài)剖析 結(jié)構(gòu)的低階振型起到控制作用,對(duì)位移和內(nèi)力 貢獻(xiàn)較大,本算例只是對(duì)低階振型剖析,忽視高階振 型

7、的影響,提取前10階振 型。采納了分塊Lanczos法。此中起控制作用的前5階振型及與其余方法所 得結(jié)果 的比較見(jiàn)表3。 ANSYS計(jì)算周期比P KPM軟件計(jì)算周期小，結(jié)構(gòu)剛度大，這和整體參數(shù)以及支 撐節(jié)點(diǎn)設(shè)定有關(guān) 系,二者的前5階振型符合得很好。ANSYS計(jì)算結(jié) 果在經(jīng)驗(yàn)公式和歐洲規(guī)范簡(jiǎn)化計(jì)算的范圍內(nèi)。 表3結(jié)構(gòu)自振周期振 型 ANSYS 有限元 PKPM 設(shè) 計(jì)軟件 經(jīng)驗(yàn)公式 歐洲規(guī)范 振型描繪 10. 8521. 1470. 72?1. 080. 77Y 向平動(dòng) + 扭轉(zhuǎn) 20. 7951. 087--X +Y 方向 平動(dòng)30. 6800. 784--扭轉(zhuǎn)4

8、0. 3570. 481--頂部結(jié)構(gòu) 扭轉(zhuǎn)5 0. 321 0. 390 上3層結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn) 注：(1依據(jù)國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)公式[1], T 1=(0. 08~0. 12 N ,式中N為結(jié)構(gòu) 總層數(shù)； (2依據(jù)歐洲規(guī)范8[2],40m以下的結(jié)構(gòu)，能夠采納簡(jiǎn)化計(jì)算公式 T 1=C t H 3/4?？蛑т摻Y(jié)構(gòu) C t為0105。 4地震響應(yīng)剖析411反響譜剖析依 據(jù)現(xiàn)行《抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[3] ,多遇地震取地震 影響系數(shù)0116,結(jié)構(gòu)的阻尼比 (為01035,場(chǎng)所的特 色周期為0145s 。 振型分解反響譜計(jì)算時(shí)，考慮三維結(jié)構(gòu)的雙向 地震波輸入(因?yàn)榭缍容^小，能夠忽 視豎向地震作用，采納“

9、平方和的平方根” (SRSS遇合法例，取前10階振型參加 計(jì)算。有關(guān)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4,5。 表4單向地震作用下反響譜計(jì)算結(jié)果項(xiàng) 目 基地剪力/kN剪重比 /%極點(diǎn)位移 最大層間位移 /mm /H 8 /mm 8 位/h 置 X 方向 1870. 67. 420. 4091/18033. 8661/1242 基層 Y 方向 1852. 3 7. 3 22. 1911/1658 5. 27 1/1328 頂層 1 412005NO. 6黃 怡,等：框架一支撐鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的有限元剖析 表5雙向地震作用下反響譜計(jì)算結(jié)果項(xiàng) 目 基地剪力/kN剪重比 /%極點(diǎn)位移 最

10、大層間位移 /mm /H 8 /mm 8 位/h 置 X 方向 2082. 48. 222. 6931/16224. 291/1119 基層 Y 方向 2149. 1 8. 525. 6111/14375. 921/1182 頂層 412彈性時(shí)程剖析 本工程采納了多條地震譜計(jì)算時(shí)程剖析計(jì)算,取擁有代表性的 El 2centro 10 一 UX反應(yīng)譜法 4 UXEbctotro -阪神波 * UY反應(yīng)普 __ —— — 11 > ■ ■一 涉及阪神波進(jìn)行說(shuō)明分析。8度多遇地震,采納地震加快度時(shí)程曲線的最 大 值為 70cm/s 2。 采納ANSYS瞬態(tài)模塊,ma

11、rk法,二分參數(shù) [4] 。Rayleigh阻尼,迭代 求解方法選擇PCG UX反應(yīng)譜法 UX El

12、性響應(yīng)的計(jì)算 大震不倒是我國(guó)建筑布防目標(biāo)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行8度罕遇地震的時(shí)程剖析，按抗震規(guī) 范,取時(shí)程曲線的 最大值400cm/s 2。在大震作用下,結(jié)構(gòu)局部折服，側(cè)向位移見(jiàn) 表6,知足規(guī)范要求的1/50的層間位移 角限值 表6大震下結(jié)構(gòu)側(cè)向位移 項(xiàng)目 極點(diǎn)位移最大層間位移 /mm /H 8 /mm 8 位/h 置 X 方向 138. 21/26631. 941/144 基層 Y 方向 161. 6 1/22742. 001/166 頂層 5支撐對(duì)結(jié)構(gòu)的性能的影響511支撐對(duì)地震影響系數(shù)的影響 對(duì)照框架結(jié)構(gòu)，支撐使得結(jié)構(gòu)整體剛度增強(qiáng)，自振周期減小。一般而言，中高層 結(jié)構(gòu)的自振

13、周期在018~2s之間，位于反響譜Tg ~5Tg階段，這一段 的地震影響 系數(shù)變化坡度大，受自振周期影響大。如表7所示，結(jié)構(gòu)遇到的底部剪力將是一般框 架的1141倍，增大了快要34% 。 表7 框架支撐 1. 0. 852s 0. 696 0. 980 512 支撐對(duì)水平位移的影響 支撐能夠有效地加大結(jié)構(gòu)的整體剛度，減小結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的水平位 移，使得結(jié)構(gòu)知足使用功能要求。關(guān)于本工程，總用鋼量為376t，此中支撐用鋼量為 24t ,僅占結(jié)構(gòu)用鋼量的613%,可是 關(guān)于水平位移影響明顯，對(duì)照方圖4所示， 充分表現(xiàn)了框架一支撐系統(tǒng)的優(yōu)勝性。 圖4 各樓層水平位移對(duì)照 51

14、3 支撐對(duì)柱子內(nèi)力的影響 支撐能夠承受很大一部分層剪力，經(jīng)過(guò)反響譜 剖析,能夠獲得由柱子和支撐承受的底部剪力的比例，如表8所示。 表8構(gòu)件分擔(dān)底部剪力支 撐承受水平荷載/N 柱子承受水平荷載/N 總水平荷載/N X 方向 968276 52%90232448%1870600Y 方向 125980468% 59249632% 1852300 從表8能夠看出，支撐的存在能夠很大程度上 減小柱子需要承受的剪應(yīng)力，可是，支撐也會(huì)對(duì)柱子 的軸力產(chǎn)生很大的影響，計(jì) 算如表9所示。 由計(jì)算能夠看出，小震時(shí)由支撐惹起的柱子的 附帶軸力的數(shù)目級(jí)約在幾百kN ,在 大震時(shí)高達(dá)一千 多k

15、N ,使得柱子提前折服，需要惹起足夠的重視。 241四川建筑科學(xué)研究第31卷 表9支撐惹起的柱的附帶內(nèi)力 X方向 Y方向 支撐最大軸力N 379kN (1729kN 423kN (1729kN 支撐與水平的夾角 a 30 0 ~50° sin 民 015~01766 N x sin a 190~290kN (865~1324kN 212?324kN (865~1324kN 注：括號(hào)前為小震作用下內(nèi)力計(jì)算,括號(hào)內(nèi)為大震作用下內(nèi)力計(jì)算。 結(jié)構(gòu)的東西方向(X方向 的尺度大于南北方 向(Y方向,X方向的剛度大、變型小，支撐發(fā)揮的 作用相對(duì)較小，和表9數(shù)據(jù) 符合。514支

16、撐對(duì)結(jié)構(gòu)整體抗震性能的影響 力小，延性要差,在El 2centro波的作用下,底部剪力關(guān)系曲線分別如圖5所 圖5頂層質(zhì)心水平位移-底部剪力關(guān)系曲線 對(duì)照?qǐng)D5(a和圖5(b能夠看到，在相同的地震 波作用下,無(wú)支撐系統(tǒng)剛度小,頂 層位移大，因?yàn)榻Y(jié) 構(gòu)柔，遇到的底部剪力小，這和前面的剖析是符合 的。 結(jié)構(gòu)的耗能能力二者基本在相同的數(shù)目級(jí)上， 且因?yàn)殇摬膬?yōu)秀的延性，二者的滯回曲線均較為飽滿?？蚣芤恢谓Y(jié)構(gòu)剛度 大，可是當(dāng)水平荷載大到 必定程度，支撐先折服，其力學(xué)性能和框架同，這也 是表現(xiàn) 了框支結(jié)構(gòu)2道防線的設(shè)計(jì)理念。6結(jié)論和建議 (1經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算剖析，本框架一支撐鋼結(jié)構(gòu) 切合

17、抗震性能要求，譜剖析、小 震、大震下的時(shí)程分析結(jié)果均知足規(guī)范要求。 (2。 ，支撐對(duì)結(jié)構(gòu)的地震、構(gòu)件內(nèi)力、水平位移等產(chǎn)生較大的影響。 (4關(guān)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)或異性結(jié)構(gòu)，譜剖析的結(jié)果未 必偏于安全，一定進(jìn)行彈性和彈塑 性時(shí)程剖析。參照文件： [1] 沈聚敏，周錫元，高小旺，劉晶波.抗震工程學(xué)[M ].北京：中國(guó)建 筑工業(yè)第一版社，2000. [2] Eurocode8:Designof structures for earthquake resistance[S].Eu 2 ropean Committee for Standardization ,2003. [3] G B500112

18、2001, 建筑抗震設(shè)計(jì) 規(guī)范[S].2001. [4] 王勖成，邵 敏.有限單元法基來(lái)源理和數(shù)值方法(第2版 [M ].北京：清華大學(xué)第一版社，1997. [5] ANSYS企業(yè).APDL使用指南 [R].2000. [6] 王元清，石永遠(yuǎn).多層輕型房子鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究 [J]. 建筑結(jié)構(gòu),1999, (6 . [7] 黃 怡，王元清，陳 宏，石永遠(yuǎn).多層輕鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性 能剖析[J].工業(yè)建筑(已錄取. Finite element analysis on seismic properties of steel braced frame structure H

19、UAN G Y i ,WAN G Yuan 2qing ,SHI Y ong 2jiu (Department of Civil Engineering , The K ey Laboratory of Structure Engineering and Vibration of Ministry of Education , Tsinghua University ,Beijing 100084,China Abstract :Steel braced frame is one of the structure forms in mid 2high rise building wide

20、ly used. In the paper ,a certain 9storey braced frame in langfang is designed as an example through the finite element software ANSYS. Three 2dimensional modal is built , and the seismic res ponse is analyzed including modal analysis ,response spectrum analysis ,elastic/elastoplastic time 2history analysis. The lateral defor 2mation of the structure and the stress of the braces are computed ,and the study can be served as the references of such structure design. K ey w ords :braced frame ;seismic property ;ANSYS ;time 2history analysis 3 412005No. 6黃 怡,等：框架一支撐鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的有限元剖析