一座七層框剪結構的非線性時程反應分析研究

張璞

摘 要：鋼筋混凝土框架-剪力墻結構是目前我國運用比較多的一種結構類型。由于地面運動的不確定性以及實際結構形式的多樣性、復雜性，在SAP2000中對鋼筋混凝土框架-剪力墻結構的時程反應分析處理方法各異。文章對一棟七層框架-剪力墻結構進行地震作用分析比較。研究結果表明，對于鋼筋混凝土框架剪力墻結構，文章的模型是較為合理的，在SAP2000中可以將該方法運用于此類結構的非線性地震反應分析。

關鍵詞：動力時程反應；連接單元；SAP2000

文章研究的目標在于運用SAP2000對工程項目的非線性動力時程反應分析進行研究。這項工作主要通過對單根柱、單片墻、以及一棟七層框剪結構進行動力時程反應分析，并對比分析其計算結果與振動臺實驗結果。這對工程項目運用SAP2000進行彈塑性分析具有重要的價值，也是提高建筑結構抗災能力的有效途徑，具有較高的工程設計意義。

1 分析模型及時程分析工況

1.1 材料的屬性

文章中采用程序默認應力-應變曲線模型。根據文章中模型的特點選用了考慮箍筋對混凝土有約束作用的Mander模型。隨動硬化（Kinematic）默認滯回模型中，與Takeda模型相似，可以選擇程序自帶的Simple和Park模型，也可以自定義材料的應力-應變曲線。

1.2 連接單元線性有效剛度

文章中采用連接單元模擬構件彈性、屈服及屈服后的性能，證明連接單元可以描述構件在各個階段受力的性能。這就需要我們正確的定義每個連接單元的有效剛度，因為有效剛度將直接影響結構的基本周期。線性彈簧一般需要確定相應的等效剛度和等效阻尼。

1.3 模態分析設置

根據結構動力非線性時程反應分析的不同需求以及實際模型的需要，在SAP2000中，可以按照不同方式定義不同的質量信息。文章中七層框架剪力墻結構采用“來自荷載”定義質量源。

在SAP2000有限元軟件中提供了兩種模態解耦的基本方法，它們分別是精確的特征向量法和與荷載相關的Rize向量（LDR）法。LDR向量法所有求得的特征向量都是與荷載相關的，避免了不參與動態響應的高階振型對分析結果的影響。能更好的運用于線性和非線性結構的動力分析。因此，根據文章研究的內容，相較與必須指定振型數目的截斷位置的特征向量分析法，建議采用LDR法。

1.4 時程類型

在SAP2000中提供了多種時間積分方法，分別是Newmark法、Wilson法、排列法、Hiber-Huges-Taytor法和 Chung and Hulbert法等方法可供選擇。在SAP2000程序中，建議用戶使用默認的HHT方法，文章也采用該方法，在模型的運算中也能較好的收斂。

1.5 阻尼系數

文章在各結構構件的模型中引入了連接單元的類型為MultiLinear Plastic即連接單元已經考慮了本身的阻尼屬性。故在荷載工況中就無需重復定義阻尼即選用 Rayleigh型阻尼并將其質量和剛度阻尼系數指定為零。

2 鋼筋混凝土結構的動力分析模型

2.1 結構力學模型

結構力學模型是指結構整體分析模型。文章要驗證的是一棟七層的鋼筋混凝土框架-剪力墻結構。根據結構本身的特性，是規則的且樓板沒有開洞，故選用桿系-層模型。在SAP2000中，模型的實現是通過給每層的所有節點指定一個隔板約束。這樣一來，不僅能夠很好的模擬結構的動力反應，還能夠求解出各個構件的內力和變形，而又由于動力自由度不大，使得計算工作量不大，節省計算時間成本。

2.2 梁、柱、墻力學模型模型

在確定了結構的整體力學模型后，需要進一步確定各個桿件單元的力學模型。

文章從簡化計算的角度出發，選擇采用最常見的分段模型來模擬梁、柱。并且考慮到在SAP2000中無法建立兩端鉸接的連接單元，故剪力墻單元的力學模型采用二元件模型。

2.3 梁、柱、墻的恢復力模型

梁在結構中為受彎構件，剪切變形的影響比較小。文章在模擬梁的滯回反應時是采用Takeda模型。柱在結構中屬于壓彎（或壓彎剪）構件。在反復荷載作用下，其恢復力特性較梁類構件更為復雜，因為柱受到的軸力通常還是比較大的。為了比較好的模擬柱的捏縮效應，在SAP2000中，彎矩一轉角恢復力模型采取退化的pivot模型。作為鋼筋混凝土結構中重要的抗側力構件，抗震墻在結構中一般主要承受壓、彎、剪共同作用。考慮到SAP2000中連接單元無法定義兩端鉸接，墻體采用二元件模型。

3 算例分析

八十年代初，在日本和美國聯合試驗研究項目中，使用大型試驗設備，對一棟七層足尺鋼筋混凝土框架-剪力墻結構進行的抗震性能試驗。柱截面尺寸皆為500mm×500mm；沿軸線A、B、C方向的主梁截面尺寸皆為300mm×500mm；沿軸線1～4方向的次梁截面尺寸皆為300mm×450mm；鋼筋混凝土抗震墻墻體厚度為200mm；樓板厚皆為120mm。

地震波采用修正宮城縣沖記錄、修正十勝沖地震記錄、修正Taft波記錄。

分析結果與實驗的對比顯示：計算模型比較成功的模擬了結構位移反應的時程曲線，結構振動基本周期也與實測結果較為吻合。

4 主要結論

根據軟件SAP2000的分析與實驗對比結果，可以得出以下結論：

①SAP2000中框架剪力墻結構計算模型及其分析工況相關的設置具有普遍的適用性，有利于實際工程中的廣泛應用。避免了參數選取的隨意性而造成的人為誤差，為在SAP2000中建模準確性提供一定的參考依據。

②SAP2000中的一些參數對結構的影響是很大的，如恢復力模型中的α，它控制滯回曲線中的卸載剛度的取值。這些重要參數的取值文章中都進行了說明。

③各個構件的恢復力模型的非線性力-位移骨架曲線定義中，文章采用的是三折線形式，雖然這與實際的存在一些差異，但還是能比較好描述構件的骨架曲線。

④由前面的分析結果與實驗結果對比可知，連接單元能較好的反應構件和結構彈性階段、屈服及屈服后的性能。

參考文獻

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