基于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析研究

占羅龍，揭建剛，陳玉春，陶武金，何鑫，劉文

（豐和營(yíng)造集團(tuán)股份有限公司，江西 南昌 330000）

1 引言

工程事故調(diào)查表明，框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下整體抗震性能主要受到梁柱節(jié)點(diǎn)處性能影響[1]。框架柱與梁破壞失效有可能造成整個(gè)結(jié)構(gòu)體系連續(xù)坍塌[2]，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)成延性破壞。鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性彈塑性階段，內(nèi)力增加很小，變形增加非常大，因此位移是控制結(jié)構(gòu)在抗震分析的主要指標(biāo)[3]。本文采用動(dòng)力分析方法，將地震荷載輸入到結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中，可得出結(jié)構(gòu)任意時(shí)刻的位移、速度、加速度及應(yīng)力。研究表明，框架結(jié)構(gòu)的豎向水平最大位移是控制結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)[4]。采用ANSYS有限元分析，設(shè)定鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)分析模型，對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)展開研究分析。ANSYS技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑混凝土結(jié)構(gòu)中，該技術(shù)具有豐富的數(shù)據(jù)庫(kù)[5]。ansys有限元方法智能化菜單引導(dǎo)、幫助等，為用戶提供了強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)絡(luò)的劃分工具。

2 有限元分析

2.1 模型介紹

結(jié)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工程經(jīng)驗(yàn)，本文采用三個(gè)單跨鋼筋混凝土框架進(jìn)行計(jì)算，三個(gè)框架的跨度均為3.6m，框架高都分別為4.5m、6m、9m，且分別以框架1、框架2、框架 3表示（如表1，圖1）。

2.2 有限元模型建立

表1 三個(gè)框架尺寸

圖1 三個(gè)框架簡(jiǎn)圖

框架結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖2所示，將空間框架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為二維模型，結(jié)構(gòu)建模采用彈性單元，框架的有限元網(wǎng)格如圖2所示。計(jì)算過(guò)程中，預(yù)設(shè)框架梁柱都不會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量損傷和剛度退化現(xiàn)象。框架所處地區(qū)地震設(shè)防烈度為8度，抗震設(shè)防類別為甲類。鋼筋混凝土框架采用C20混凝土，鋼筋采用HRB335。模型中，鋼筋混凝土材料彈性模量為2.55×104 N/mm2，疲勞變形模量1.1×104 N/mm2，混凝土線膨脹系數(shù)1×10-5/℃，泊松比為 0.2，容重為 2400kg/m2。

圖2 三個(gè)框架有限元模型圖

2.3 地震荷載輸入

在人類歷史上第一次捕捉到的最大加速度超過(guò)300cm/s2的強(qiáng)震記錄是在1940年美國(guó)埃爾森特羅（EL-Centro）地震波記錄中獲取的，該地震記錄具有很強(qiáng)的代表性，地震記錄總持時(shí)50s，本文截取前20s作為研究分析的輸入荷載（如圖3），前20s所包含的能量達(dá)到總能量的84.5%，滿足研究要求。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖3 1940年美國(guó)EL-Centro地震波記錄

3.1 選擇研究方向

鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)分析采用的坐標(biāo)系設(shè)定見圖2所示，在ANSYS計(jì)算環(huán)境中X方向?yàn)闄M向，Y方向?yàn)樨Q向，Z方向?yàn)榭v向。在峰值位移比較中會(huì)給出Y方向柱頂峰值位移數(shù)據(jù)來(lái)與X方向進(jìn)行比較。計(jì)算分析時(shí)，本文主要研究X方向上動(dòng)力響應(yīng)。

3.2 框架應(yīng)力分析

采用ANSYS有限元計(jì)算軟件，可得出三個(gè)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖，文中僅給出鋼筋混凝土框架X方向應(yīng)力云圖。

圖4 框架X方向應(yīng)力云圖

三個(gè)鋼筋混凝土框架應(yīng)力隨高度變化情況見圖4所示，本文僅選擇梁柱節(jié)點(diǎn)作為應(yīng)力變化的討論對(duì)象。圖4中結(jié)果表明：在地震作用下，不同高度鋼筋混凝土框架應(yīng)力值差異較大，框架1梁柱節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力最小，框架3梁柱節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力最大。在EL-Centro地震荷載下，框架1、框架2及框架3梁柱節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力峰值分別為0.414MPa、0.434MPa及0.454MPa，三個(gè)框架梁柱節(jié)點(diǎn)最大是最小應(yīng)力的1.1倍，應(yīng)力差為0.04MPa。框架3梁柱節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力是框架2的1.05倍，應(yīng)力差為0.02MPa。同一框架的不同部位部位應(yīng)力值不同、位移響應(yīng)峰值不同以及加速度峰值也不同。從應(yīng)力圖中還可以看出，框架梁柱節(jié)點(diǎn)和橫梁跨中應(yīng)力較大，框架梁跨中撓度最大。在地震荷載作用下，框架跨度不變的情況下，隨著框架高度增加梁柱節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力也隨之增加，柱頂位移也呈現(xiàn)遞增的規(guī)律，這種變化規(guī)律可為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及研究提供相應(yīng)的參考。

3.3 框架位移分析

三個(gè)框架在地震荷載作用下柱頂X方向和Y方向的位移峰值表2和圖5所示。從表2和圖5所顯示的結(jié)果來(lái)看，同一地震荷載作用下、不同高度框架的位移峰值差異均顯著，相同部位、不同方向上的位移峰值的差異也較大。

表2 框架柱頂位移（×10-3mm）

從圖5中還可以得出X方向上的位移明顯比Y方向上的位移大很多。框架3柱頂X方向位移峰值最大，達(dá)到了9.79×10-3mm，比框架2柱頂X方向位移峰值大3.30倍，比框架1柱頂X方向位移峰值大14.03倍。同時(shí)框架3柱頂Y方向位移峰值達(dá)到了0.104×10-3mm，比框架2柱頂Y方向位移峰值大1.82倍，比框架1柱頂Y方向位移峰值大5.84倍。從圖6中可知，框架隨著高度的增加，在地震荷載下頂部的位移就相應(yīng)的增加，且Y方向位移要比X方向上的小很多，是因?yàn)樵贏NSYS計(jì)算環(huán)境中框架結(jié)構(gòu)Y方向剛度遠(yuǎn)大于X方向，剛度是影響結(jié)構(gòu)位移重要因素。本文研究的最大高度是9m，實(shí)際生活中存在更高的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，有待進(jìn)一步進(jìn)行分析研究。

圖6 三個(gè)框架柱頂X方向位移

圖7 三個(gè)框架柱頂Y方向位移

4 結(jié)論

本文利用ANSYS有限元軟件對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算分析，ANSYS軟件的計(jì)算精度較高，計(jì)算結(jié)果更直觀。利用該軟件會(huì)大大提高設(shè)計(jì)人員對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)計(jì)算的能力。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無(wú)剛度退化和質(zhì)量損傷情況下，對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示壩體在X方向上的最大應(yīng)力要大于Y方向的最大應(yīng)力，所以X方向是以后檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的主要方向。研究還表明，隨著框架結(jié)構(gòu)高度增加，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)應(yīng)力和柱頂位移也隨之增加。本文只對(duì)單榀框架進(jìn)行動(dòng)力分析，對(duì)鋼筋混凝框架空間動(dòng)力分析研究還有待進(jìn)一步探索。