基于ANSYS的高层框架结构地震响应分析

四川建筑 第卷6期 1 基 于ANSYS的 高 层 框 架 结 构 地 震 响 应 分 析 母恩喜,陈国平 (西南科技大学,四川绵阳611002) 【 摘 要 】 运用大型通用有限元软件ANSYS,采用其自带的APDL语言进行三维框架结构建模,对一18 层框架混凝土结构进行了抗震性能的计算分析,包括模态分析,时程分析,以及结构在地震作用下的变形和随 地震波的内力响应情况等。 【 关键词 】 框架结构; ANSYS; APDL; 地震波; 地震响应; 时程分析 【 中图分类号 】 T U35211 + 2 【 文献标识码 】 A 目前框架结构仍然是最常见的结构形式,对其进行研究 分析还有一定的现实意义。现在广泛应用的专业结构设计 软件,采用了过多的假定,计算结果往往误差偏大。对于一 些重要的建筑,可能会有严重的危害,这已经引起了设计人 员广泛的关注,有些重要的建筑会要求用有限元软件进行计 算分析。ANSYS作为大型通用有限元软件,已经在很多领域 广泛应用了,但对于结构设计的一线人员用得还不多。本文 就尝试用ANSYS对常见的高层框架混凝土结构进行分析。 1 工程概况 本文计算的为一框架-筒体结构,层高3 m,总18层,结 构总高度54 m,其平面布置如图1,结构模型参数见表1。 图1 结构平面示意 表1 结构模型参数 构件截面尺寸(m)混凝土强度等级 弹性模量E(MPa) 框架柱111111C403125104 外环梁014016C403125104 内框架梁015018C40 3125104 次梁013015C40 3125104 筒体墙肢013C40 3125104 楼层面板012C30 3100104 外围墙体012C30 3100104 2 有限元建模及模态分析 211 单元介绍 梁柱选用BEAM188,墙、 板选用SHELL63。 BEAM188:该单元是建立在Ti moshenko梁分析理论基础 上的,计入了剪切效应和大变形效应,故可以考虑剪切变形 和翘曲,同时也支持大转动和大应变等非线性,而且可以直 接显示梁截面上的应力和变形,适合于从细长到中等粗短的 梁结构。定义时需要三个节点,定位节点与主节点应位于同 一个平面内,以确定梁的截面主轴方向 。与其他的梁单元相 比,BEAM188有更强的非线性分析能力,而且有强大的横截 面定义功能,能够自由定义各种截面。常用的命令有: SECTYPE 定义梁截面的I D号,截面形状以及截面 网格加密水平; SEC DATA 指定横截面的类型以及参数; P USS OL 输出梁单元横截面的计算结果。 212 有限元建模 对于比较规则的结构采用ANSYS自带的APDL语言,用 命令流建模十分方便,而且便于修改和移植,运算速度也比 较快 。 本文用的主要命令流为: /p rep7 et, 1, bea m188 !梁单元类型 et, 2, shell63!筒体,楼板及外墙单元类型 mp , ex, 1, 3125e10! C40混凝土 mp ,p rxy, 1, 012!泊松比 mp , dens, 1, 2700!密度 sectype, 1, beam, rect!框架柱截面定义 secdata, 111, 111 k, 5000, 22, 8, 72!设置bea m188单元节点的方向 3do, i, 1, 1021, 60!生成模型 l, i, i +60 3enddo 建成的有限元模型如图2。 213 模态分析 一般结构的前几阶振型起到主要作用,因此在计算时也 主要提取前几阶的振型来分析 。 本文用ANSYS中的Lancz o s 法提取了前6阶的振型。用ANSYS的模态求解,很容易得 出前6阶频率(表2)。 收稿日期2007 - 12 - 05 作者简介母恩喜,硕士研究生;陈国平,副教授。 工程结构 282008 12 901 四川建筑 第卷6期 1 图2 框架结构有限元三维模型 表2 模态分析前6阶频率 SETTI ME/FREQLOAD STEPSUBSTEP 111588211 221565612 331131713 451422414 561513215 661647816 鉴于结构分析常用前两阶振型计算,现把结构前两阶振 型表示为: 第一振型为水平Y向的平动,第二振型为绕Z轴的转动 (图3、 图4)。 图3 第一振型图4 第二振型 图5 结构总体合位移图6 结构X方向位移 图7 地震作用下等效应力图 3 地震响应分析 31 地震时程分析 地震是一种常遇而又危害极大的自然现象,在地震中心 地面先是上下震动,然后又水平震动,对高层建筑结构来说, 水平作用是最主要的。本文选取天津宁河波来分析。为了 便于用AN SYS进行时程分析,需要把地震波的数据做成两 个文本文件。文本一:ACELX. TXT存储时间和水平面方向 的加速度两列数据;文本二:ACELY . TXT存储时间和竖向加 速度两列数据。文件中数据的格式为:第一列时间数据顶 格;第二列加速度数据,若为正则与第一列空两格,若为负, 则空一格 。 做好的文件一定要放在ANSYS工作目录下,然 后直接读入地震波数据。 分析结果见图5 图7。 顶部角点位移变化曲线,见图8,图9。 图8 UX - TI ME曲线图9 UY - TI ME曲线 312 地震响应结果分析 从结构的整体合位移知道,上部角点的位移明显最大,这 是因为地震力从基础传入后,由于结构的刚度不够大,必然会 放大底部的变形,第一阶振型的平动导致上部位移加大,再加 上地震作用下结构的第二、 三阶的扭转,角点位移更一步加 大,从等效应力图可以看出,结构底部角点的应力明显较大。 这给我们的结构设计时的构造设计提供了方向,这也就是 建 筑抗震设计规范 规定结构底层、 角点柱筋要加强的原因。 4 结论及建议 (1)用ANSYS分析高层框架结构是方便可行的,建立的 三维有限元模型进行地震反应分析,更能符合实际情况,能 更加真实反应结构的内力及变形。 (2)由于AN SYS在动力分析时,结构上的恒载及活载是 不参于结构计算的,而 建筑抗震设计规范 51113明确指 出:计算地震作用时,建筑的重力荷载代表值应取结构和构 件自重标准值和各可变荷载组合值之和 。故进行实际结构 计算时要考虑把荷载转化为结构的质量进行分析计算,以符 合实际情况和规范要求。 (3)建议在一线的结构设计人员尝试用大型通用有限元 软件ANSYS进行结构设计的复核校验,以完善和推动我国 的结构设计电算化的发展 。 参 考 文 献 1 G B 50011 - 2001建筑抗震设计规范 S. 2 李承铭,王国俭.复杂高层抗震性能分析 J .太原理工大学学 报,2006(3). 3 黄怡,王原清.框架-支撑钢结构抗震性能的有限元分析 J. 四川建筑科学研究, 2005(6). 4 沈聚敏,周锡元,高小旺,等.抗震工程学M .北京:中国建筑 工业出版社, 2000. 5 王呼佳,陈洪军. AN SYS工程