不同單向水平地震對框架結構的影響

周磊 葉坤

(揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇揚州 225127)

0 引言

地震是地球內部構造運動的產物，是一種自然現象［1］。我國地震區域廣闊而分散，地震頻繁而強烈，發生于人煙稠密之處者，損失慘重［2］。對地震的深入了解是土木工程技術人員研究如何防止或減少建筑物由于地震而造成破壞的重要前提。因此研究不同單向水平地震對框架結構的影響具有深遠的意義。

本文運用有限元分析軟件SAP2000對揚州市某框架結構進行分析。通過對結構施加單向地震力的方法來得到框架結構位移、內力［3］。深入認識地震對框架結構的影響。

1 有限元模擬單向地震作用下的框架結構

1.1 工程概況

本文采用的模型為揚州市某多跨6層框架結構，柱下獨立基礎，縱向7跨，每跨8.4 m，橫向3跨，每跨6 m。1層層高為4.2 m，2層～5層層高3.8 m，頂層層高3.2 m。②軸～⑦軸線框架梁采用統一截面250 mm×550 mm，其余框架梁采用統一截面250 mm×750 mm，次梁采用統一截面250 mm×500 mm，柱采用統一截面550 mm×550 mm，板厚為120 mm。梁、板、柱采用C30混凝土，彈性模量為3.0×104N/mm2，混凝土容重25 kN/m3。本工程抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，基本地震加速度0.15g。本工程地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類。

模型平面布置圖如圖1所示，三維模型結構圖見圖2。

圖1 模型平面布置圖

圖2 三維結構模型圖

1.2 荷載選取

豎向荷載包括結構自重、使用時產生的活荷載。其中結構自重采用程序自動計算，混凝土容重25 kN/m3，活載按規范商業樓面取3.5 kN/m2，上人屋面屋面活荷載取2.0 kN/m2。風荷載，本文取基本風壓為0.4 kN/m2，地面粗糙度為C類。輸入地震波采用El-Centro波，采用自動地震荷載模式［4］。地震方向分別指定為全局X軸方向和全局Y軸方向。

2 地震對框架結構的影響

X方向與Y方向地震作用下框架三維變形圖見圖3，圖4。

圖3 X方向地震作用下框架三維變形圖

圖4 Y方向地震作用下框架三維變形圖

2.1 對結構框架變形的影響

圖5 X方向地震作用下?軸線框架變形圖

圖6 Y方向地震作用下?軸線框架變形圖

表1 X方向地震作用下?軸線框架柱x向節點位移 mm

由圖5，圖6可以看出，在X方向地震作用下?軸線框架在x和z方向都產生了變形，x方向變形更大，而Y方向地震作用下?軸線框架在x方向產生的變形并不明顯，但可以看出在z方向產生了一些變形。

表2 Y方向地震作用下?軸線框架柱y向節點位移 mm

由表1可以看出，隨著層數的增加，X方向地震作用下?軸線框架柱x向節點位移在變大，但增加的幅度在減小。同一樓層中，x向節點位移相差很小。Y方向地震作用下?軸線框架柱y向節點位移具有同樣的規律。由表1和表2相比較，可以得出:Y方向地震作用下?軸線框架柱層間節點位移差要大于X方向地震作用。

2.2 對柱軸力的影響分析

X方向與Y方向地震作用下?軸線框架軸力圖見圖7，圖8。

圖7 X方向地震作用下?軸線框架軸力圖

圖8 Y方向地震作用下?軸線框架軸力圖

由表3，表4數據表明，地震作用下框架柱在①軸線和⑧軸線產生的軸力較小，②軸線～⑦軸線軸力相差不大，變化率不超過3%。隨著樓層的增加，框架柱軸力值在減小，并且減小的幅度越來越大［5］。通過表3和表4，可以得出:X方向地震作用下?軸線框架柱軸力要大于Y方向地震作用。

表3 X方向地震作用下?軸線框架柱軸力值 kN

表4 Y方向地震作用下?軸線框架柱軸力值 kN

2.3 對梁、柱彎矩的影響分析

X方向與Y方向地震作用下?軸線框架彎矩圖見圖9，圖10。

圖9 X方向地震作用下?軸線框架彎矩圖

圖10 Y方向地震作用下?軸線框架剪力圖

表5 X方向地震作用下?軸線柱截面彎矩值 kN·m

表6 Y方向地震作用下?軸線柱截面彎矩值 kN·m

由表5，表6數據可以看出，隨著樓層的增高，X方向地震作用下框架柱柱底彎矩和框架梁彎矩大致呈減小趨勢，而在同一樓層中，①軸線框架柱彎矩較小，②軸線～⑦軸線框架柱彎矩相接近，所有框架梁彎矩相近。Y方向地震作用下?軸線所有框架梁彎矩基本相同［6］。Y方向地震作用下①軸線和⑧軸線框架柱彎矩較大，②軸線～⑦軸線框架柱彎矩很小。X方向地震對?軸線柱截面產生的彎矩要大于Y方向地震。

3 結語

通過軟件模擬分析可以得到以下結論:

1)沿著建筑物縱向的地震對框架結構影響較大。

2)Y方向地震作用下框架柱層間節點位移差要大于X方向地震作用。

3)隨著結構層數增加，高度越來越高，框架結構房屋受到的地震作用和力矩就越大，位移變形就越明顯，破壞的可能性也就愈大。

4)框架柱大多在柱頂發生破壞，與梁交界處的節點下部更易

發生破壞，柱端形成塑性鉸，出現裂縫。

［1］王社良.抗震結構設計［M］.武漢:武漢理工大學出版社，2012.

［2］周 旭.水平地震作用下樓梯與框架結構相互作用分析［D］.武漢:華中科技大學，2010.

［3］胡聿賢.地震工程學［M］.北京:地震出版社，2009.

［4］閆 冬，戚春香，馮清海.SAP2000結構工程分析及實例詳解［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［5］石 誠.考慮雙向水平地震作用的結構抗震分析與設計若干問題研究［D］.重慶:重慶大學，2004.

［6］董 可.地震作用下鋼框架結構的動力性能研究［D］.北京:中國礦業大學，2013.