用ANSYS分析高层钢-混凝土混合结构的地震反应.pdf

第 4卷第 3期 2 0 0 7年 6月 铁 道科学与工程学报 J OURNAL OF RA I L j ， AY SCI E NCE A ND ENGI NEE RI NG Vo I 4 N O 3 J u n e 2 0 O 7 用 A N S Y S分析高层钢 一混凝土混合结构的地震反应 陆铁坚 。 李丽梅 ， 林国章 ( 中南大学 土木建筑学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 7 5 ) 摘要： 依据抗震设计规范， 采用三维有限元 A N S Y S 软件， 对钢框架 一混凝土核心筒的混合结构动力特性和地震时程反应 进行分析。通过计算， 得到该类建筑物的自振特性以及在地震作用下的位移和加速度反应。通过地震动的影响因素分析， 明确了结构各类参数的变化对结构反应的影响， 为结构的合理设计提供参考。所提供 的分析方法为此类结构的抗震性能 研究提供了一种有效的途径。 关键词： 高层建筑； 钢 一混凝土混合结构； 动力特性分析； 地震反应 中图分类号： T U 9 7 3 1 4 ； T U 9 7 3 3 1 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 27 0 2 9 ( 2 0 0 7 ) 0 3 0 0 3 2 0 6 Ap p l i c a t i o n o f AN S YS t o s e i s mi c r e s p o n s e a n a l y s i s o f t a l l s t e e l c o n c r e t e h y b r i d s t r u c t u r e L U T i e j i a n ， L I l i - m e i ， L I N G u o z h a n g ( S c h o o l o f C i v i l a n d A r c h i t e c tu r a l E n g i n e e r i n g ， C e n t r al S o u t h U n i v e r s i t y ， C h ang s h a 4 1 0 0 7 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Ac c o r d i n g t o t h e p r e s e n t c o d e f o r s e i s mi c d e s i g n o f b u i l d i n g ，c h a r a c t e ri s t i c s o f f r e ev i b r a t i o n a n d t i me h i s t o r y me t h od for s e i s mi c an a l y s i s o f s t e e l c o n c r e t e h y b rid s t r u c t u r e we re c a r r i e d o u t b y u s i n g ANS YS s o f t wa r eT h e c h a r a c t e ris t i c o f f r e e v i b r a t i o n， t h e d i s p l a c e me n t an d a c c e l e rat i o n d i s t rib u t i o n we r e o b n ed b y the an aly s i sW i th the i n f l u e n c e f a c t o r s o f s e i s mi c a n aly z e d，the rugn l a r o f s t r u c t u re res p o n s e s c a u s e d b y s t ruc t u re p a r a me t e r s c h an g e d we re o b t a i n ed I t p r o v i d e s s o me r e f e ren c e for a p p r o p ria t e d e s i gn On e k i n d o f e f f e c t i v e a p p r o a c h t o s t u d y the s e i s mi c re s p o n s e o f s t e e l c o n c ret e h y b ri d s t ruc t u r e wa s p u t for w a r d Ke y w o r d s ： t al l b u i l d i n g； s t e e l c o n c r e t e h ri d s t ruc t u re ；m ode anal y s i s；s e i s mic r e s p o n s e 近年来 ， 钢框架 一钢筋混凝土剪力墙混合结构 在我 国高层建筑中的应用已较普遍 ， 钢 一混凝土混 合结构是综合利用钢结构和混凝土结构 的优点而 形成的一种新型建筑结构体 系， 此类结构 自重轻 、 施工速度快 ， 它优于混凝土结构 ； 从造价方面 ， 它优 于钢结构 。而施工速度与全钢结构的相当， 在综合 考虑施工周期 、 结构 占用使用面积等 因素后 ， 混合 结构的综合经济指标优于全钢结构和混凝土结构 的综合经济指标， 是一种符合我国国情的较好的高 层建筑结构形式。一般它是由外围空间钢框架， 通 过每层的楼板及楼面梁与钢筋混凝土剪 力墙相连 接而成的大型空间结构体系。在该类体系中， 钢框 架主要是承受竖 向力 ， 混凝土剪力墙则主要承受水 平力 1 l 。本文通过国际通用 A N S Y S软件分析此类 结构在地震动作用下的动力特性及动力时程反应 分析， 明确此类 结构 的地震反应 特征， 为研究此类 结构的抗震性能提供了一种有效 的途径。 1 分析实例 以文献 2 中的外钢框架内混凝土剪力墙的混 合结构来进行计算。结构为 2 0 层， 层高 4 2 m， 其 结构平 面如图 1所示 ， 结构 三维 透视图如 图 2所 示 。结构的基本周期控制在 1 9 0 S 左右 ， 钢框架构 收稿 日期 2 0 0 70 1 1 0 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 4 7 8 0 9 2 ) 作者简介 ： 陆铁坚 ( 1 9 6 3 一) ， 男 ， 湖南岳 阳人 ， 教授 ， 从事高层混合结构抗 震性能研究 维普资讯 http:/ 第 3 期 陆铁坚， 等： 用 A N S Y S 分析高层钢 一混凝土混合结构的地震反应 3 3 件均 采用工字型 截面， 材料为Q 2 3 5 钢。 各 结构构 2 模型建立 件截面参数参见表 1 。 图 1 结构平面布置图 Pi g 1 Pl a n e f r a me wo r k d i s p o s a l 图 2 结构三维透视 图 Pig 2 T h r e ed i me n s i o n f r a me w o r k s c e n o g r a p h 表 1 结构构件截面参数 T a b l e 1 S e c t i o n p a r a me t e r s 构件类别 宽度 m m 高度 m m 翼缘厚度 m m 腹板厚 度 m m 框架柱 3 0 0 5 0 0 2 6 1 4 框架梁 1 5 0 3 0 0 1 2 1 0 芯筒壁厚 3 5 0 In l n 楼板厚度 2 0 0 I n l n 2 1 模型选择 单元和模型选择是高层建筑动力分析的关键。 高层建筑动力分析一般采用剪切及弯剪层模型、 杆 模型和单柱模型【 j 。它们针对 高层建筑 的结构 特点进行了不同程度的简化 ， 各有不 同的适应性。 由于杆模 型能够 比较好地分析结构的受力 和 破坏状态 ， 本文以杆模型为基础 ， 引入三维梁单元 和三维壳单元， 考虑弹性的材料性质， 形成壳单元 和梁单元混合的三维模型。 2 2 梁单元的应用 框架柱 、 框架梁采用三维梁单元 ， 每个节点有 3个平移和 3个转动 自由度。 2 3 壳单元的应用 不 同高层的建筑软件对于剪力墙 的简化和模 拟各不相同， 这里采用四节点三维壳单元。每个节 点有 3 个平移 自由度和 3 个转动 自由度。这种壳 单元能够较逼真地反映实际剪力墙的作用。 2 4 建模 方法 高层建筑结构形式繁多， 风格各异 ， 结构庞大 ， 直接在 A N S Y S中建模工作量将非常大。本文利用 A N S Y S中的内嵌 A P D L语言和 F O R T R A N语言相结 合 ， 使建模工作大大简化 6。 3 动力特性分析 为了确定建筑物的自振特性 ， 以便为振型迭加 法反应分析提供必要条件 。这里采用子空间迭代 法进行计算 ， 使用单元质量矩阵。可得到结构的自 振周期如表 2所示。 表 2 结构 自振周期 Ta bl e 2 P e r i o ds o f s t r u c t u r e 方法 1 阶2阶3 阶4 阶5 阶6阶7阶8 阶9 阶1 0 阶 A N S YS 1 9 5 8 1 5 7 7 0 7 8 7 0 4 0 5 0 3 2 7 0 3 1 5 0 3 0 3 0 2 7 6 0 2 7 5 0 2 6 7 苎 堕 墨 奎 旦 塑 ： 表 2 说 明 A N S Y S计算 的结果符 合要 求 ， 所 以 A N S Y S 建立的壳单元和梁单元混合的三维模型是 可行 的 ， A N S Y S计算得 到了其前 5阶振型 ， 如 图 3 所示 。 从图 2中可以看 出， 第 1 振型为 方 向的“ 一 边倒” 平移振型 ， 第 2振型为 y方 向的“ 一边倒” 平 移振型 ， 第 3 振型为扭转振型。由于该建筑物在 y 方向的剪力墙 比 方 向的剪力墙长 ， 所 以， 刚度 y 向刚度较 向大 ， 第 1 振型在 轴方 向上。 维普资讯 http:/ 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 7年 6月 ( ) 一 第 1 振型； ( b ) 一 第 2 振型； ( c ) 一第3 振型； ( d ) 一第4 振型； ( e ) 一 第 5 振型 图 3 前 5阶振型 图 F i g 3 T h e fi r s t fi v e mo d a l fi g u r e s 4 时程反应分析 4 1 地震波的选取 建筑物的地震反应不仅与地震 的峰值加速度 有关， 而且与地震的持续时间 、 场地土性质 、 地震 的 卓越周期 、 建筑物 的位置和形状有密切的关 系。为 比较分析 ， 选取 3条天然波进行计算 ： E L C E N T R O 波， 记录时间为 7 9 8 s ， 加速度峰值为 3 4 1 7 m s 2 ， 记录时间间隔为 0 0 2 s ； T A F F波 ， 记录时间为 7 9 8 s ， 加速度峰值为 1 7 5 9 s 2 ， 记 录时间间隔为 0 0 2 s ； 宁河地震天津记 录记 录时 间为 l 0 9 8 s ， 加速度 峰值为 1 3 4 8 m s ， 记录时间间隔为 0 0 2 s 【 。 4 2 分析方法及步骤 在分析时 ， 采用 N E WMA R Kk 法进 行数值 积分， 迭代求解。地震波的原始记录时间间隔为 0 0 2 s ， 则取迭代步长为0 0 0 2 s ， 以提高迭代精度， 保证迭代收敛性 ； 在加载过程中采用逐级加载的方 法； 阻尼对结构的影 响是很大 的， 阻尼 比的影响基 本上反比与位移反应 ， 本文在选取阻尼中， 采用输 入 r a y l e i g h阻尼的方法 。即 ： C = a o M + al K。 各阶振型阻尼 比为 ： = 1 a0 +。 l ) 。 这 里 = 1 ， = 1 o ， l = 1 0 =0 0 5 ， 司得 a o = 0 1 7 6 al=0 01 4o 4 3 位移加速度时程反应 图 4至图 5 所示为结构在 E L C E N T R O地震波 作用下的反应图 ， 顶层位移的最大值发生在 6 3 2 s 时刻 ， 顶层加速度最大值发生 在 2 1 0 s 时刻； 图 6 和图 7所示为结构在宁河地震天津波作用下 的反 应图， 顶层位移最大值发生在 2 2 6 s 时刻， 顶层加 速度最大值发生在 3 0 6 s 时刻。 一 x方向位移 O 2 0 1 登 。 一O 1 _ o 2 8 6 4 旦 2 暴 景 - 4 6 -8 一 、 时间 ， 8 图 4 项层位移时程 曲线 F i g 4 T i me h i s t o r y c u r v e s o f d i s p l a c e me n t x方 向加速度 ： ， 、1 n 八 l A 八 ： V V V 时间 s 图 5 顶层加速度 时程 曲线 Fig 5 Time his t o ry c u r v e s o f a c c e l e r a t i o n x方向位移 O 3 O，2 0 1 着 。 一 O l 一0 2 -0 I 3 ： ， 、 八 A ， 八 八 ： lV 2 c 4 8 V l0 时间 s 图 6 顶层位移 时程 曲线 Fi g 6 Time his t o ry c u r v e s o f d i s p l a c e me n t 维普资讯 http:/ 第 3 期 陆铁坚， 等： 用 A N S Y S 分析高层钢 一混凝土混合结构的地震反应 3 5 8 6 【岫4 2 羹 三 d -6 一 x方向加速度 ： n 。 。 1f j d 厂 - V 时间 ， B 图 7 顶层加速度时程 曲线 F i g 7 T i me h i s t o r y c u r v e s o f a c c e l e r a ti o n 4 4 地震反应的影响因素分析 模型参数同算例 1 ， 结构平面布置图如 图 8所 示。建模方法和单元的应用同算例 1 的方法， 结构 模型如 图9所示。地震波输入采用 E L C E N T R O地 震波。 图 8 结构平 面布置 图 8 S t r u c t u r a l s k e t c h p l a n 图 9结构模型 图 Fig 9 S t r u c t u r a l mo d e l 4 4 1 地震波的二维输入影响 根据 建筑结构抗震设计规范 ( G B 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 的要求 ， 取 x方向的地震波幅值 的 8 0 作为 y方 向的地震波 ， 同时在 2个正交方 向上输入 E L C E N T R O地震波。 输入 E L C E N T R O地震波进行计算 ， 结构 的顶 层反应见表 3 。从表 3可以看 出， 在双 向地震波 同 时输入时得到的 方 向的平移分量和加速度分量 相比单 向输入稍有增加 ， 而 y方 向的位移分量和 加速度分量以及绕 z轴的转角 和转角加速度增加 比较显著 。 表 3 二维地震波输入的计算结果对比 T a b l e 3 C o mp u t e d r e t c o n t r a s t b y T w o d i me n s i o n a l e a r t h q u a k e wa v e i n p u t 项目 X= 3 4 1 7 m 。 s 2 , 4 4 2阻尼 比的影 响 阻尼比对结构在地震动作用下的影响较大 ， 结 构在 E L C E N T R O波作用 下的随着阻尼变化 的响 应变化如表 4所示 。可 以看 出， 随着 阻尼 比的减 小 ， 结构的响应增 大 ， 可以通过设置阻尼器来有效 的减小建筑物的地震反应。 表 4 结构响应随 阻尼比 的变化对 比 T a b l e 4 S t r u c t u r e r e s p o n s e c o n t r a s t b y d a mp i n g r a t i o c h a n g e 维普资讯 http:/ 3 6 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 7年 6 月 4 4 3 剪力墙厚度 的影响 剪力墙是结构的主要抗侧构件 ， 对结构 的反应 起到很重要的作用 ， 结构顶层反应随着剪力墙厚度 的变化对 比如表 5 所示。从 中可以看 出结 构 方 向顶层的位移响应逐渐增大， 顶层加速度响应却越 来越小 ； 而在 y方 向顶层 的位移 和加速度响应都 减小 ； 结构 的扭转响应随着剪力墙厚度减小逐渐变 大。 4 4 4 楼板厚度的影响 其他构件的尺寸如表 1 所示的， 楼板的厚度选 择 0 3 m， 0 2 m以及 0 1 m。结构的顶层反应随着 楼板厚 的的变化如表 6 所示 。可以看出， 随着楼层 厚度 的减小 ， 结构在 方 向的顶层位移 响应迅速 减小 ， 结构在 y方向的顶层位移 响应逐渐增大 ， 在 2 个方向上顶层的加速度响应都逐渐变大； 随着楼 板厚度的减小结构绕 z轴 的扭转效应逐渐减小。 可以看 出楼板对结构的响应变化影响很大。 4 4 5 外钢框架构件对结构反应的影响 外钢框架构件为框架柱和框架梁， 主要承受结 构的竖 向荷载。各种结构构件截面参数如表 7所 示 ， 结构顶层 的响应如表 8 所示。 从表 8可以看出 ， 随着外 围钢框架的尺寸的变 大 ， 结构在 方向顶层的位移响应逐渐减小 ， 而加 速度响应却逐渐增大， 但是变化的幅度都不是很 大 ； 而结构在 y方 向的响应规律 和 方 向刚好相 反 ； 结构扭转反应越来越大。 表 5 结构响应随剪力墙的变化对 比 T a b l e 5 S t r u c t u r e r e s p o n s e c o n t r a s t b y s h e a r wa l l c h a n g e 表 6 结构 响应 随楼板厚度 变化对 比 Ta b l e 6 S t r u c t u r e res po nse c o n t r a s t b y fl o o r t h i c k n e s s c h an g e 维普资讯 http:/ 第 3 期 陆铁坚， 等： 用 A N S Y S分析高层钢 一混凝土混合结构的地震反应 3 7 表 8 结构响应随外钢框 架构件 变化对 比 Tab l e 8 S t r u c t u r e r e s p o n s e c o n t r a s t b y s t e e l f r a me s e c t i o n c h a n g e 5 结论 1 ) 通过 A N S Y S 软件对高层钢 一混凝土混合结 构的动力 特性 及地震反应分析 ， 说 明采用 A N S Y S 软件进行建筑物在地震下的动力反应分析是可行 的 ， 为此类结构的抗震性能研究提供了一种有效的 途径。 2 ) 建立三维模 型进行地震反应分析更符合实 际 ， 能够真实反应建筑物在地震作用下的受力和变 形。 3 ) 通过地震反应影响因素分析可知 ： 结构的响 应在双 向地震输入 下对原单 向输入方 向的响应没 有很大影响， 而在另一方向的响应迅速增大 ， 由于 结构不对称 ， 在双向输入下结构的扭转响应迅速增 大 ； 结构顶层的位移 、 加速度及扭转响应 随着阻尼 比的减小而增大 ； 随着剪力墙厚度 的减小 ， 在结构 的一个主轴方 向上顶层的位移响应迅速增大 ， 但在 另一个 主轴方向， 顶层位移响应却迅速减小 ， 在 2 个主轴方 向上顶层 的加速度响应都减小 ， 顶层的扭 转响应增大 ， 但幅度不大； 随着楼板厚度的减小 ， 结 构在一个主轴方向上顶层位移响应迅速减小 ， 而在 另一个主轴方 向上顶层位移响应迅速增大 ， 结构顶 层的加速度响应在 2 个 主轴方 向上都增大 ， 结构的 扭转反应却逐渐减小 ； 外钢框架的构件尺寸对结构 2 个方向的响应影响都不是很大。因此， 在设计中 应合理的选择结构各种构件的尺寸， 以便降低结构 在地震动作用下的响应。 参考文献 ： 1 G B 5 0 0 1 1 -2 0 0 1 ， 建筑抗震设计规范 S G B S 0 0 1 1 -2 0 0 1 ， C o d e f o r s e i s m i c d e s i g n o f b u i l d i n g S 2 周向明 高层钢 一混凝土混合结构弹塑性地震反应简 化分析模型 D 天津： 同济大学 ， 2 0 0 0 ZHOU Xi a n g - mi n gTh e f a c i l i t a ti n g a n a l y s i s mo d e l o f t a l l s t e e l c o n c r e t e h y b r id s t r u c t u r e i n e l a s tic p l astic e a r t h q u a k e re- s pon s e D T i anj i n ： T o n g j i U n i v e r s i t y ， 2 0 0 0 3 饱华， 徐礼华， 周友 用 A N S Y S 分析某高层建筑的 非线性地震反应 J 武汉大学学报， 2 0 0 3 ， 3 6 ( 4 ) ： 8 3 8 7 B AO Hu a ， X U L i h u a ， Z HO U Yo u A p p l i c a t i o n of a n s y s t o s e i s mic re s pon s e n o n l i n e a r a n a l y s i s o f h i g h b u i l d i n g s l J J J o u r n a l of Wu h an U niv e r s i ty， 2 0 0 3 ， 3 6 ( 4 ) ： 8 3 8 7 4 杜修力 结构弹塑性地震反应现状评述 J 工程力学， 1 9 9 4 ， 1 1 ( 2 ) ： 9 9 1 0 4 DU X i u l i E l asto p l a s t i c e a r t h q u a k e res po n s e a n a l y s i s of s t r u c t u r e s J E n g i n eeri n g M e c h a n i c s ， 1 9 9 4 ， 1 1 ( 2 ) ： 9 9 1 04 5 程绍革 ， 王里， 张允顺弹塑性时程分析方法及其应 用 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 0 ， 2 1 ( 1 ) ： 5 2 5 6 C HE NG S h a o - g e ， W A NG L i ， Z HA NG Yu n - s h u n E l astop l ast i c t i m e a n a l y s i s m e t h od and i t s a p p l i c a t i o n J J o u r n al of B u i l d i n g S t r u c t u r e s ， 2 0 0 0 ， 2 1 ( 1 ) ： 5 2 5 6 6 尚晓江， 邱峰 ， 赵海峰 AN S Y S结构有限元高级分析 方法与范例应用 M北京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 5 S H A N G X i a o - j i ang ，Q i n F e n g ，Z H A O H a i f e n g The p r e m i U lT I a n a l y s i s me thod of AN S YS fi n i t e de me n t and p a r a d i g m a p p l i c a ti o n M B e i j i n g ： C hin e Wa t e r C o n s e r v anc y and W a t e r El e c t r i c i t y Pr e s s， 2 0 0 5 7 赵西安 现代高层建筑结构设计 M 北京： 科学出版 社 ， 2 0 0 0 Z H A O X i an P h y s i c al d e si gn of Mode m t a l l b u i l d i n g M B e ij i n g ： S c i e n c e P r e s s ， 2 O O O 8 王元丰， 储德文精细时程积分法在地震响应分析 中 的应用 J 土木工程学报， 2 0 0 4 ， 3 7 ( 1 ) ： 2 02 3 W AN G Yu an f e n g ， C H U De - we n A p p li c a t i o n of p r e c i s e t i me i n t e g r a ti o n m e thod f o r s t r u c t u r al e a r t h q u a k e re s ponse J C hi n a C i v i l E n g i n e e ri n g J o u r n al， 2 0 0 4 ， 3 7 ( 1 ) ： 2 0 2 3 9 刘大海 高层建筑抗震设计 M 北京： 中国建筑工业出 版社 ， 1 9 9 3 L I U D a - h a i A s e i s m a t i c desi gn of t a ll b u i l d i n g MJB e i j i n g ： C hi n e B uil d i n g I n d u s t r y P r e s s ， 1 9 9 3 维普资讯 http:/