王軍芳

(1.三明學(xué)院 建筑工程學(xué)院，福建 三明365004；2.工程材料與結(jié)構(gòu)加固福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 三明365004)

異形柱框架結(jié)構(gòu)是近年來(lái)一種新型節(jié)能住宅結(jié)構(gòu)，具有柱楞不突出墻面、建筑觀瞻性好、節(jié)約能源、增加使用面積及適應(yīng)功能變化等優(yōu)點(diǎn)，很受開(kāi)發(fā)商及住戶的歡迎[1-4]。由于該結(jié)構(gòu)沒(méi)有經(jīng)受過(guò)地震考驗(yàn)，再加上異性柱多肢的存在，其剪力中心與截面形心往往不重合，導(dǎo)致柱肢混凝土受力時(shí)常先于普通矩形出現(xiàn)裂縫，脆性明顯，變形能力較低等，因此，工程設(shè)計(jì)人員對(duì)其抗震性能非常關(guān)心。目前針對(duì)異形柱構(gòu)件及異形柱平面框架結(jié)構(gòu)性能的研究較多，而整體抗震性分析的研究成果較少，有關(guān)的結(jié)論只是些定性的分析，更多的抗震規(guī)律需要進(jìn)一步的研究。本文對(duì)文獻(xiàn)[5]振動(dòng)臺(tái)上完成的一個(gè)異形柱框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑瓦M(jìn)行模擬計(jì)算，探討其在設(shè)防烈度和罕遇烈度下的整體抗震性能，進(jìn)一步研究ANSYS作為異形柱框架結(jié)構(gòu)彈塑性分析手段的可行性。

1 模型建立

采用有限元軟件ANSYS對(duì)文獻(xiàn)[5]中試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑图?層異形柱框架結(jié)構(gòu)（平面圖如圖1）進(jìn)行水平地震作用下的模擬分析。由文獻(xiàn)[5]可知：地震設(shè)防烈度為8度(0.2g)，Ⅱ類場(chǎng)地（第2組），二級(jí)抗震。異形柱截面形式見(jiàn)圖1，柱肢長(zhǎng)700 mm，肢厚250 mm，采用HRB400的鋼筋，配筋情況1～2層L型柱均采用Ф22mm鋼筋，T字型柱均采用Ф25mm鋼筋，十字形柱均采用Ф18mm鋼筋，3～6層所有柱縱筋均采用Ф18mm鋼筋。柱混凝土C45，梁板混凝土C30，所有構(gòu)件保護(hù)層厚度均取30 mm。

建模時(shí)，混凝土采用SOLID65單元模擬，鋼筋通常用LINK8單元模擬，如圖2。模型中不考慮鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移，即共同工作的計(jì)算精度能滿足工程精度要求[6]。

圖1 原型標(biāo)準(zhǔn)層柱網(wǎng)結(jié)構(gòu)布置（單位：mm）

圖2 計(jì)算模型（單位：mm）

梁柱單元模型根據(jù)文獻(xiàn)7均采用考慮剛度退化的三線型恢復(fù)力模型（如圖3），它能較好的描述鋼筋混凝土異形柱構(gòu)件非線性受力的全過(guò)程，其中模型的特征點(diǎn)根據(jù)實(shí)配鋼筋計(jì)算。有限元模型及其網(wǎng)格劃分情況以節(jié)點(diǎn)處十字形柱為例如圖4，底層柱與基礎(chǔ)剛接，不考慮基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的共同作用。

為了較真實(shí)地體現(xiàn)地震作用下的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，本模型選用與振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢碌腅l-Centro南北向地震波（地震最大加速度為341.7 cm/s2）進(jìn)行結(jié)果的對(duì)比分析。考慮到不同的地震波輸入所得的時(shí)程分析結(jié)果也不同，但卻不影響結(jié)構(gòu)抗震反應(yīng)的整體趨勢(shì)，所以又分別輸入南北向Taft波（地震最大加速度為152.7 cm/s2,）和人工擬合波(抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[8]Ⅲ類場(chǎng)地8度二組5%阻尼比的反應(yīng)譜進(jìn)行擬合)2種地震波，進(jìn)一步了解ANSYS在不同波形作用時(shí)結(jié)構(gòu)的整體抗震反應(yīng)是否一致。

2 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

圖5為El-Centro（南北向）地震波作用下的結(jié)構(gòu)模型自振周期計(jì)算值的曲線與相應(yīng)試驗(yàn)值曲線的對(duì)比情況圖。由圖可知：ANSYS計(jì)算模型的計(jì)算周期與振動(dòng)臺(tái)模型的試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，計(jì)算模型的低階振型周期與試驗(yàn)值基本相同。分析說(shuō)明，用ANSYS模擬異形柱框架結(jié)構(gòu)的動(dòng)力彈塑性分析具備可行性。

圖3 三線型恢復(fù)力模型

圖4 十字形柱有限元模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

為了方便比較分析，選取各樓層處的相對(duì)位移最大值和樓層處的最大相對(duì)位移值曲線進(jìn)行對(duì)比。圖6～9分別給出了8度(0.2g)多遇烈度和罕遇烈度時(shí)，計(jì)算模型在El-Centro波(_el)、Taft波(_ta)和人工擬合波(_rg)分別作用下樓層相對(duì)位移最大值的計(jì)算值曲線圖與El-Centro波作用下樓層相對(duì)位移最大值的試驗(yàn)值（_sy）對(duì)比曲線圖和樓層層間位移最大值曲線對(duì)比圖。

由圖6～9可知，8度多遇烈度和罕遇烈度下，異形柱框架結(jié)構(gòu)實(shí)際樓層最大位移的計(jì)算值和試驗(yàn)值的對(duì)比分可知，其位移曲線形狀走勢(shì)一致。其中El-Centro波(_el)作用下的計(jì)算模型值與試驗(yàn)值的曲線圖最為接近一致，主要原為試驗(yàn)值曲線圖是在El-Centro波(_el)作用下所獲得的。而其它地震波形如Taft波(_ta)和人工擬合波(_rg)僅作為補(bǔ)充條件，在同向地震作用時(shí)其最大加速度峰值均低于El-Centro波(_el)，故對(duì)應(yīng)的地震反應(yīng)也低于同向的El-Centro波(_el)作用下的試驗(yàn)值，這反映出地震波的不同頻譜特性對(duì)結(jié)構(gòu)體系的反應(yīng)影響顯著的特點(diǎn)。分析結(jié)果表明，樓層層間位移最大值首先出現(xiàn)在2層，導(dǎo)致2層裂縫出現(xiàn)后向上下延伸，使得1-3層相繼破壞。

圖5 結(jié)構(gòu)模型振型周期的計(jì)算結(jié)果

圖6 8度(0.2g)多遇烈度時(shí)樓層相對(duì)位移最大值

圖7 8度(0.2g)罕遇烈度時(shí)最大相對(duì)位移對(duì)比值

圖8 8度(0.2g)多遇烈度時(shí)樓層層間位移最大值

圖9 8度(0.2g)罕遇烈度時(shí)樓層層間位移最大值

表1～2給出了地震波作用下，8度多遇烈度與8度罕遇烈度下，樓層層間位移角最大值對(duì)比情況。表1可知，框架結(jié)構(gòu)的樓層位移值在多遇烈度下，除了二層外，其余各層基本滿足異形柱框架結(jié)構(gòu)位移限值1/600[9]，X波作用下，2層層間角位移超出了限值，也是試驗(yàn)值最先出現(xiàn)破壞的位置，由此分析可知，2層為薄弱層，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相接近。在8度罕遇烈度下，結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段，框架結(jié)構(gòu)1層至3層位移均超出了允許限值1/60[9]，3層相繼進(jìn)入破壞模式。

表1 地震波作用下結(jié)構(gòu)樓層層間位移角最大值mm

表2 地震波作用下結(jié)構(gòu)樓層層間位移角最大值mm

4 結(jié)論

（1）由圖3知，在El-Centro波型作用下，異形柱框架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果與ANSYS模型的計(jì)算結(jié)果在低階振型時(shí)較為吻合。低階振型模態(tài)主要表現(xiàn)為整體平動(dòng)和整體扭轉(zhuǎn)。第一振型主要為整體橫向（X向）平動(dòng)，第二振型主要為整體縱向（Y向）平動(dòng)，同時(shí)還伴隨著扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的出現(xiàn)。振型曲線前2階主要為剪切變形。

（2）由圖6～9可知，在8度多遇地震和8度罕遇地震下，由于異形柱框架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果是在El-Centro波形作用時(shí)獲得，所以ANSYS模型在El-Centro波形作用時(shí)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最為吻合。而在Taft波(_ta)和人工擬合波(_rg)作用時(shí)，ANSYS計(jì)算模型的計(jì)算值如樓層相對(duì)位移反應(yīng)最大值、層間位移反應(yīng)最大值僅與試驗(yàn)值走勢(shì)整體一致。2層及3層出現(xiàn)了較大的層間位移值。三種地震波對(duì)結(jié)構(gòu)體系地震反應(yīng)的差別，也可以反映出地震波的不同頻譜特性和持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)體系的反應(yīng)影響顯著。

（3）由表1及表2可知，樓層相對(duì)位移角最大值也出現(xiàn)在第二層和第三層，即薄弱部位出現(xiàn)在第二層、第三層。所以針對(duì)存異形柱框架結(jié)構(gòu)，如何加強(qiáng)薄弱層的設(shè)計(jì)成為工程設(shè)計(jì)人員考慮的關(guān)鍵部分。

（4）由上述（1）（2）（3）三部分結(jié)論可知，ANSYS模擬異形柱框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)具有較強(qiáng)的合理性和可行性，可以彌補(bǔ)振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)的不足，其分析結(jié)果可為工程人員抗震設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

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