框架_支撑钢结构抗震性能的有限元分析.

四川建筑科学研究

Sichuan Building Science 第 31卷第 6期

2005年 12月

收稿日期 :2004212206作者简介 :黄怡 (1980- , 女 , 上海人 , 硕士研究生 , 主要从事钢结构抗震性能研究。

框架—支撑钢结构抗震性能的有限元分析

黄怡 , 王元清 , 石永久

(清华大学土木工程系 , 清华大学结构和振动教育部重点实验室 , 北京100084

摘要 :近年来 , 我国的大中城市相继出现了大批的中高层钢结构建筑。框架—支撑结构体系作为中高层的一种结构形式被广泛采用。本文运用大型通用有限元软件 ANSYS , , —支撑钢结构建筑进行了抗震性能的计算分析 , 分析包括模态分析、反应谱分析横向变形和支撑随地震波的内力响应情况等。关键词 :支撑框架 ; 中图分类号 :文章编号 :1008-1933(2005 06-0140-04

1概述

中高层建筑平面布置灵活 , 又可在一定程度上

提高土地利用率 , 在大中城市发展迅速。框架—支撑钢结构体系是中高层建筑运用最多的一种体系 , 它与纯钢框架结构相比有诸多优点 , 例如 :增加了整体刚度和抗侧力能力 , 减少了用钢量 , 梁、柱节点承受的弯矩小 , 构造相对简单等等[6]。

目前 , 对于中高层的动力方面研究已经较多 , 各种专业软件纷纷投入运用。但是对于立面较不规则的建筑的地震分析 , 尤其是大震下的非线性时程分析还不是很成熟 , 若采用某些专业软件进行简化计算 , 由于用到的假定较多 , 其计算结果误差偏大 , 且对于局部构造的分析不够完全。随着微机性能的不断提高 , 现在大型通用有限元软件用于土木行业 , 对结构的动力响应进行分析已经成为可能。因此选用 ANSYS 作为计算软件 , 其瞬态分析使得多层、高层

以及超高层的弹性 /弹塑性时程分析成为可能 [7]

。

下面 , 结合一中高层框架—支撑钢结构的设计实例 , 用通用软件 ANSYS 对结构的动力特性及抗震性能进行分析。 2工程背景

河北省廊坊市某综合服务中心为框架—支撑钢结构建筑 , 地上 8层 , 局部 9层 , 总高度 38m , 结构东西方向长 3814m , 南北方向宽 1612m 。梁柱节点采用双向刚接 , 采用 Q345钢材。荷载工况见表 1。柱脚刚接。其结构平、立面如图 1所示 , 支撑布置位置见图 1(a 平面图虚线位置。

表 1建筑荷载

楼面屋面

恒载 /(kN/m 2

415015活载 /(kN/m 2

210015地震

Ⅲ类场地 ,8度抗震 , 按第 1组设计计算

该结构在设计过程中已用 P KPM 软件进行静

力和抗震性能分析 , 用 ANSYS 软件对静力性能进行校核。根据 P KPM 软件设计得到的该结构主要的梁柱截面尺寸见表 2。

表 2主要截面尺寸

/mm 楼层

柱 (箱型

主梁 (工型次梁 (

工型

支撑

123456789

350×350×18

350×350×16

350×350×14400×200×

8×12

350×200×

8×10

2[20a

现用 ANSYS 对结构的动力特性作进一步计

算 [5], 包括模态分析、反应谱分析、弹性 /弹塑性时程分析 , 结构在地震作用下的横向变形和支撑随地震波的内力响应情况等。 3有限元建模及模态分析311单元选择

根据结构的特点与要求 , 参考 ANSYS 的单元手册摘要 , 选择了 4个单元类型 , 分别为 beam 188(梁、柱 ,link 8(支撑 ,mass 21(质量块 ,shell 181(楼板。

建筑用钢材取初始屈服面满足 Mises 准则 , 流动规则为 Prantl — Ruses 规则。简化地采用理想弹塑性材料模型。

041

图 1结构平面及立面

312有限元建模

该结构立面不规则 , 质心和刚心不重合 , 结构的

扭转振型不可忽略 , 因而采用三维有限元建模 , 按照实际工程的尺寸 , 采用分层建模的方式建模。考虑高阶振型对结构的动力响应影响不大 , 网格划分不需要很密 , 这点和静力分析的网格划分有所区别。模型规模 :节点数目 1099个、单元个数 2274个。模型示意见图 2

。

图 2三维整体模型

313模态分析

结构的低阶振型起到控制作用 , 对位移和内力

贡献较大 , 本算例仅仅对低阶振型分析 , 忽略高阶振型的影响 , 提取前 10阶振型。采用了分块 Lanczos 法。其中起控制作用的前 5阶振型及与其他方法所得结果的比较见表 3。

ANSYS 计算周期比 P KPM 软件计算周期小 , 结构刚度大 , 这和整体参数以及支撑节点设定有关系 , 两者的前 5阶振型吻合得很好。 ANSYS 计算结

果在经验公式和欧洲规范简化计算的范围内。

表 3结构自振周期

振型

ANSYS

有限元

P KPM 设

计软件

经验公式

欧洲规范

振型描述

10. 8521. 1470. 72~1. 080. 77Y 向平动 +

扭转

20. 7951. 087--X +Y 方向

平动 30. 6800. 784--扭转 40. 3570. 481--顶部结构扭转 5

0. 321

0. 390

-

-

上 3层结构的扭转

注 :(1 按照国内经验公式 [1], T 1=(0. 08~0. 12 N , 式中 N 为结构总层数 ;

(2 按照欧洲规范 8[2],40m 以下的结构 , 可以采用简化计算公式

T 1=C t H 3/4。框支钢结构 C t 为 0105。

4地震响应分析 411反应谱分析

按照现行《抗震设计规范》 [3]

, 多遇地震取地震影响系数 0116, 结构的阻尼比ζ为 01035, 场地的特

征周期为 0145s 。

振型分解反应谱计算时 , 考虑三维结构的双向地震波输入 (由于跨度较小 , 可以忽略竖向地震作用 , 采用“ 平方和的平方根” (SRSS 遇合法则 , 取前 10阶振型参与计算。相关计算结果见表 4,5。

表 4单向地震作用下反应谱计算结果

项目

基地剪力 /kN 剪重比

/%顶点位移

最大层间位移Δ/mm Δ/H