異形柱框架結(jié)構(gòu)與等面積矩形柱框架結(jié)構(gòu)抗震性能分析

(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣州 廣東 510006)

一、模態(tài)分析

通過等面積原則將異形柱轉(zhuǎn)化為等面積矩形柱，除截面形式不同之外，同樣采用SAP2000對等面積矩形柱框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)的動力特性以及水平地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，對其結(jié)果進(jìn)行整理，同異形柱框架結(jié)構(gòu)相比較，并且利用ANSYS分析的得到數(shù)據(jù)來分析異形柱框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。

(一)周期比較。異形柱框架結(jié)構(gòu)周期頻率和等面積矩形框架結(jié)構(gòu)在相同情況下的周期對比，來得到兩者的對比結(jié)果如下圖所示：

圖1 異形柱與等面積矩形柱框架周期對比

從圖1中看出，等面積矩形柱框架的周期顯然均大于異形柱框架，且最大差值在前三階振型，相差0.03s。且等面積矩形柱框架周期的變化趨勢與異形柱框架一致，隨著振型階數(shù)的增加，其周期逐漸降低，平均降低約10.44%。并且前三階周期減小幅度較大，所以與異形柱一樣，前三階振型起主要作用。所以在其他情況相同的條件下，異形柱框架結(jié)構(gòu)的剛度明顯大于等面積矩形柱框架。但總的來說，兩者的動力特性相似，但其差別也是不可忽視的。

(二)振型比較。對比異形柱框架與等面積矩形柱框架結(jié)構(gòu)的振型，前五階振型基本一致，以平動為主。后幾階開始差別較大，主要是方向相反，但振動形式基本一致。第十二階兩者振型區(qū)別最大，異形柱以平動為主，等面積矩形柱以扭轉(zhuǎn)為主。

二、時(shí)程分析

通過時(shí)程分析法對等面積矩形柱框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用下的響應(yīng)分析，同樣得到層間位移、層間位移角、層間位移以及頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線。并且與異形柱框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，綜合判斷異形柱框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。在時(shí)程分析中加入測得的Elcentro地震波其波形。

圖2 異形柱與等面積矩形柱層間位移角

(一)層間位移角比較。在框架結(jié)構(gòu)中，層間位移角是框架變形驗(yàn)算的指標(biāo)，而且根據(jù)諸多工程實(shí)例地震反應(yīng)計(jì)算表明：最危險(xiǎn)層的最大層間位移角，比同層中梁和柱的扭轉(zhuǎn)角大，所以層間位移角同時(shí)具有控制構(gòu)件最大變形量的意義。計(jì)算出結(jié)構(gòu)在地震作用下的層間位移角，是判定結(jié)構(gòu)抗震性能的重要指標(biāo)。上圖中明顯反映了等面積矩形柱的層間位移角要大于相同條件下的異形柱框架，最大相差0.00124，且均滿足框架結(jié)構(gòu)1/550的限值。其中等面積矩形柱框架最大位移角發(fā)生在底層，說明在單向地震力作用下，底層較為薄弱，可以進(jìn)行加強(qiáng)措施。隨著層高的增加，層間位移角逐漸減小，說明結(jié)構(gòu)整體剛度分布較均勻，結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)能力較強(qiáng)。通過兩者的比較，也反映出在面積相等的情況下，異形柱框架的抗震性能稍微優(yōu)于矩形柱框架。

(二)層間剪力比較。通過比較，等面積矩形柱框架與異形柱框架層間剪力變化趨勢一致，隨著樓層增大而減小，但兩者差距也十分明顯，矩形柱顯然大于異形柱，平均大了約6.5%，說明異形柱在地震作用下的抗剪切能力較等面積矩形柱框架強(qiáng)，同時(shí)也說明其抗抗震性能比等面積矩形柱好。

圖3 異形柱與等面積矩形柱層間剪力

(三)頂點(diǎn)位移時(shí)程曲線。我們做過兩種結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移變化的曲線，可知大概在2s6s時(shí)頂點(diǎn)位移最大，這與Elcentro波在此段時(shí)間內(nèi)加速度較大相對應(yīng)。等面積矩形柱位移明顯大于異形柱框架，兩者位移變化趨勢一致，正負(fù)向位移比較接近，對抗震比較有利。

三、小結(jié)

從考慮截面抗剪切強(qiáng)度方面來考慮，本章建立了等面積矩形柱三維模型，對其進(jìn)行與異形柱在相同條件下的模態(tài)分析以及非線性時(shí)程分析，對比分析異形柱的抗震性能。主要結(jié)論由以下幾點(diǎn)：

分析模態(tài)結(jié)果，等面積矩形柱與異形柱框架的振型除第十二階外，其余各階都十分相似，且周期差別稍明顯，異形柱較等面積矩形柱框架小。說明兩者的動力特性相似，但異形柱框架剛度較等面積矩形柱大。

從層間位移來看，等面積矩形柱明顯大于異形柱，反映了其抗側(cè)移能力弱于異形柱框架，可能與在等面積條件下，矩形柱的截面慣性矩明顯小于異形柱，所以在水平地震力作用下(X向)，其抗彎剛度明顯降低有關(guān)。從層間位移角來看，兩者差不大，最大值出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中下層。從層間剪力來看，等面積矩形柱明顯大于異形柱，可知其抗剪能力較異形柱框架弱。從頂層角節(jié)點(diǎn)(8節(jié)點(diǎn))位移時(shí)程曲線來看，兩者隨地震波輸入時(shí)間的反應(yīng)一致，且兩者在某時(shí)間處的位移差值也不大。綜上所述，較等面積矩形柱而言，采用異形柱，抗震性能有明顯提高。