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        基于ANSYS基礎(chǔ)隔震框架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

        2011-02-05 00:38:16陳曉強范超曹少飛
        四川建筑 2011年1期
        關(guān)鍵詞:框架結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)

        陳曉強,范超,曹少飛

        (西南科技大學土木工程與建筑學院,四川綿陽621010)

        目前,基礎(chǔ)隔震技術(shù)己日趨成熟,近年來己有許多應(yīng)用實例。該方法的原理是在基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置隔震層,隔離地面能量向上部傳遞,降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),達到預(yù)期的防震要求,由于目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件沒有考慮隔震支座的情況,故需要借助于其它大型結(jié)構(gòu)計算軟件進行分析。ANSYS是目前較為常用的一種大型通用的有限元分析軟件,功能強大,在建筑工程中,由于它的線單元類型多,使用方便,很受建筑結(jié)構(gòu)分析工程師的歡迎。本文運用ANSYS軟件建立三維空間模型,對多層框架結(jié)構(gòu)進行基礎(chǔ)隔震體系的地震響應(yīng)分析,得出了傳統(tǒng)抗震結(jié)構(gòu)與隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下的對比結(jié)果,闡述了基礎(chǔ)隔震的優(yōu)越性。

        1 計算模型的建立

        1.1 計算實例

        某九層框架結(jié)構(gòu),底層層高為3.9 m,其余各層為3.3 m,結(jié)構(gòu)柱、梁布置見圖1??拐鹪O(shè)防類別為乙類,場地類別為Ⅲ類,設(shè)防烈度為8度,地震基本加速度為0.2g。構(gòu)件尺寸:柱500 mm×500 mm,橫梁為300 mm×600 mm,縱向梁為250 mm×500 mm,樓板厚為100 mm。采用C30混凝土。標準層平面布置如圖1所示。本例題作為一個演示性的例題,目的在于用ANSYS對基礎(chǔ)固定與基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的對比。因此,例題的結(jié)構(gòu)布置等方面并未嚴格按照有關(guān)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定。

        圖1 結(jié)構(gòu)平面布置

        1.2 計算單元模型的確定

        1.2.1 梁、柱單元

        本模型梁、柱選用BEAM188單元,該單元能夠采用SECTYPE、SECDATA、SECOFFSET、SECWRITE和SECREAD來定義任何截面(形狀)。

        1.2.2 板單元

        樓板采用SHELL63單元,該單元具有彎曲能力、膜力,可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。

        1.2.3 隔震單元

        水平隔震單元選用COMBIN40單元,該單元通過兩個節(jié)點、兩個彈簧常數(shù)K1和K2(力/長度)、一個阻尼系數(shù)C(力×時間/長度)、一個質(zhì)量M(力×時間平方/長度)、一個間隙大小GAP(長度)和一個界限滑移力FSLIDE(力)定義。豎向隔震單元選用COMBIN14,只需定義其彈簧剛度。

        2 隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析

        本文選用常用的天津波南北向中典型的一段,持續(xù)時間為6 s,該波適合于Ⅱ、Ⅲ類場地的地震記錄,特征周期為0.3~0.4 s,加速度峰值達到1.4580 m/s2。表1為兩種基礎(chǔ)形式前6階振型頻率對比。從表1明顯可以看出基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)自振頻率遠低于基礎(chǔ)固定體系。圖2是在地震作用下,基礎(chǔ)隔震體系頂層樓蓋和底層樓面的位移時程曲線。隔震結(jié)構(gòu)在地震作用下,結(jié)構(gòu)的變形主要集中在隔震層,上部結(jié)構(gòu)基本上為整體水平平動。在地震作用下,基礎(chǔ)固定與基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)頂層達到最大位移時,各層的位移見圖3。從圖3中可以看出,當頂層達到最大位移時,基礎(chǔ)隔震體系底層位移較大,但頂層相對底層的位移卻非常小。圖4為兩種基礎(chǔ)形式的加速度時程曲線對比。在多遇地震作用下的層間剪力見圖5,從圖中可以明顯看出基礎(chǔ)隔震的層間剪力遠小于基礎(chǔ)固定層間剪力。各圖虛線為基礎(chǔ)隔震,實線為基礎(chǔ)固支。

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        圖2 位移時程曲線(虛線為底層位移)

        圖3 頂層達到最大位移時各層位移

        圖4 加速度時程曲線

        3 結(jié)論

        (1)用ANSYS可以很好地進行隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的非線性分析,考慮鋼筋混凝土和隔震層的非線性性質(zhì),建立更符合實際的三維模型。

        (2)本文對某9層框架隔震和非隔震結(jié)構(gòu)進行了非線性時程分析,對比分析結(jié)果表明:隔震結(jié)構(gòu)的主震型表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)的整體水平平動,變形集中在隔震層。鉛芯橡膠隔震墊能很好地消耗地震能量,減少地震對建筑物的破壞。

        圖5 層間剪力圖

        (3)通過計算表明,采用基礎(chǔ)隔震技術(shù),可以提高結(jié)構(gòu)的自振周期,避開建筑場地的卓越周期,減少發(fā)生共振的可能性。

        (4)通過隔震結(jié)構(gòu)與非隔震結(jié)構(gòu)層間剪力的比較,可以得到降低設(shè)防烈度的具體數(shù)值,減少上部結(jié)構(gòu)的截面尺寸和配筋。

        [1]GB50011-2001建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S]

        [2]周福霖.工程結(jié)構(gòu)減震控制[M].北京:地震出版社,1997

        [3]張孟平.框架結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震分析及應(yīng)用[D].黑龍江:哈爾濱工程大學,2007

        [4]田其豐.框架結(jié)構(gòu)橡膠墊基礎(chǔ)隔震系統(tǒng)研究[D].西安:西北工業(yè)大學,2006

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