框架-支撑钢结构抗震性能的有限元分析

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1、四川建筑科学研究第31卷第6期140SichuanBuildingScience2005年12月框架一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。框架一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，采用三维建模，对一9层框架一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、弹性单塑性时程分析，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

2、应情况等。研究成果可以为类似工程提供借鉴。关键词：支撑框架；抗震性能；ANSYS；时程分析中图分类号：TU352．11文献标识码：A文章编号：1008—1933(2005)06—0140—041概述该结构在设计过程中已用PKPM软件进行静中高层建筑平面布置灵活，又可在一定程度上力和抗震性能分析，用ANSYS软件对静力性能进提高土地利用率，在大中城市发展迅速。框架一支行校核。根据PKPM软件设计得到的该结构主要撑钢结构体系是中高层建筑运用最多的一种体系，的梁柱截面尺寸见表2。它与纯钢框架结构相比有诸多优点，例如：增加了整表2主要截面尺寸／mm体刚度

3、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-6J。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。因此选用现用ANSYS对结构的动力特性作进一步计ANSYS作为计算软件，其瞬态分析使得多层、高层算-5J，包括模态分析、反应谱分析

4、、弹性塑性时以及超高层的弹性／弹塑性时程分析成为可能-7J。程分析，结构在地震作用下的横向变形和支撑随地下面，结合一中高层框架一支撑钢结构的设计震波的内力响应情况等。实例，用通用软件ANSYS对结构的动力特性及抗3有限元建模及模态分析震性能进行分析。3．1单元选择2工程背景根据结构的特点与要求，参考ANSYS的单元河北省廊坊市某综合服务中心为框架一支撑钢结构建筑，地上8层，局部9层，总高度38m，结构手册摘要，选择了4个单元类型，分别为beam188东西方向长38．4m，南北方向宽16．2m。梁柱节点(梁、柱)，link8(支撑)，msss21(

5、质量块)，shell181采用双向刚接，采用Q345钢材。荷载工况见表1。(楼板)。柱脚刚接。其结构平、立面如图1所示，支撑布置位建筑用钢材取初始屈服面满足Mises准则，流置见图1(a)平面图虚线位置。动规则为Prantl--Ruses规则。简化地采用理想弹表1建筑荷载塑性材料模型。楼面屋面恒载／(kN／m)收稿日期：2004—12—06活载kN／m2)作者简介：黄怡(1980一)，女，上海人，硕士研究生，主要从事钢结地震构抗震性能研究。2005No．6黄怡，等：框架一支撑钢结构抗震性能的有限元分析141／32．000／＼＼＼><／＼一／／／＼

6、昌1ZCIZC／＼0／＼8n：l：UN【_／＼8旨一●I／＼昌1×／／＼8普8高(a)结构平面3o0d480078007800780042003000lI(a)结构立面图1结构平面及立面3．2有限元建模果在经验公式和欧洲规范简化计算的范围内。该结构立面不规则，质心和刚心不重合，结构的表3结构自振周期扭转振型不可忽略，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，这点和静方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。注：(1

7、)按照国内经验公式⋯，丁1=(0．08-0．12)N，式中N为结构总层数；(2)按照欧洲规范8E，40m以下的结构．可以采用简化计算公式丁1=CH。框支钢结构C为0．05。4地震响应分析4．1反应谱分析按照现行《抗震设计规范》[引，多遇地震取地震影响系数0．16，结构的阻尼比为0．035，场地的特图2三维整体模型征周期为0．45s。3．3模态分析振型分解反应谱计算时，考虑三维结构的双向结构的低阶振型起到控制作用，对位移和内力地震波输人(由于跨度较小，可以忽略竖向地震作贡献较大，本算例仅仅对低阶振型分析，忽略高阶振用)，采用“平方和的平方根”(SR

8、SS)遇合法则，取前型的影响，提取前10阶振型。采用了分块Lanczos1O阶振型参与计算。相关计算结果见表4，5。法。其中起控制作用的