一座七層框剪結(jié)構(gòu)的非線性時程反應(yīng)分析研究

張璞

摘 要：鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是目前我國運用比較多的一種結(jié)構(gòu)類型。由于地面運動的不確定性以及實際結(jié)構(gòu)形式的多樣性、復(fù)雜性，在SAP2000中對鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的時程反應(yīng)分析處理方法各異。文章對一棟七層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用分析比較。研究結(jié)果表明，對于鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，文章的模型是較為合理的，在SAP2000中可以將該方法運用于此類結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)分析。

關(guān)鍵詞：動力時程反應(yīng)；連接單元；SAP2000

文章研究的目標(biāo)在于運用SAP2000對工程項目的非線性動力時程反應(yīng)分析進(jìn)行研究。這項工作主要通過對單根柱、單片墻、以及一棟七層框剪結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力時程反應(yīng)分析，并對比分析其計算結(jié)果與振動臺實驗結(jié)果。這對工程項目運用SAP2000進(jìn)行彈塑性分析具有重要的價值，也是提高建筑結(jié)構(gòu)抗災(zāi)能力的有效途徑，具有較高的工程設(shè)計意義。

1 分析模型及時程分析工況

1.1 材料的屬性

文章中采用程序默認(rèn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型。根據(jù)文章中模型的特點選用了考慮箍筋對混凝土有約束作用的Mander模型。隨動硬化（Kinematic）默認(rèn)滯回模型中，與Takeda模型相似，可以選擇程序自帶的Simple和Park模型，也可以自定義材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

1.2 連接單元線性有效剛度

文章中采用連接單元模擬構(gòu)件彈性、屈服及屈服后的性能，證明連接單元可以描述構(gòu)件在各個階段受力的性能。這就需要我們正確的定義每個連接單元的有效剛度，因為有效剛度將直接影響結(jié)構(gòu)的基本周期。線性彈簧一般需要確定相應(yīng)的等效剛度和等效阻尼。

1.3 模態(tài)分析設(shè)置

根據(jù)結(jié)構(gòu)動力非線性時程反應(yīng)分析的不同需求以及實際模型的需要，在SAP2000中，可以按照不同方式定義不同的質(zhì)量信息。文章中七層框架剪力墻結(jié)構(gòu)采用“來自荷載”定義質(zhì)量源。

在SAP2000有限元軟件中提供了兩種模態(tài)解耦的基本方法，它們分別是精確的特征向量法和與荷載相關(guān)的Rize向量（LDR）法。LDR向量法所有求得的特征向量都是與荷載相關(guān)的，避免了不參與動態(tài)響應(yīng)的高階振型對分析結(jié)果的影響。能更好的運用于線性和非線性結(jié)構(gòu)的動力分析。因此，根據(jù)文章研究的內(nèi)容，相較與必須指定振型數(shù)目的截斷位置的特征向量分析法，建議采用LDR法。

1.4 時程類型

在SAP2000中提供了多種時間積分方法，分別是Newmark法、Wilson法、排列法、Hiber-Huges-Taytor法和 Chung and Hulbert法等方法可供選擇。在SAP2000程序中，建議用戶使用默認(rèn)的HHT方法，文章也采用該方法，在模型的運算中也能較好的收斂。

1.5 阻尼系數(shù)

文章在各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的模型中引入了連接單元的類型為MultiLinear Plastic即連接單元已經(jīng)考慮了本身的阻尼屬性。故在荷載工況中就無需重復(fù)定義阻尼即選用 Rayleigh型阻尼并將其質(zhì)量和剛度阻尼系數(shù)指定為零。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動力分析模型

2.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)模型

結(jié)構(gòu)力學(xué)模型是指結(jié)構(gòu)整體分析模型。文章要驗證的是一棟七層的鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)本身的特性，是規(guī)則的且樓板沒有開洞，故選用桿系-層模型。在SAP2000中，模型的實現(xiàn)是通過給每層的所有節(jié)點指定一個隔板約束。這樣一來，不僅能夠很好的模擬結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，還能夠求解出各個構(gòu)件的內(nèi)力和變形，而又由于動力自由度不大，使得計算工作量不大，節(jié)省計算時間成本。

2.2 梁、柱、墻力學(xué)模型模型

在確定了結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)模型后，需要進(jìn)一步確定各個桿件單元的力學(xué)模型。

文章從簡化計算的角度出發(fā)，選擇采用最常見的分段模型來模擬梁、柱。并且考慮到在SAP2000中無法建立兩端鉸接的連接單元，故剪力墻單元的力學(xué)模型采用二元件模型。

2.3 梁、柱、墻的恢復(fù)力模型

梁在結(jié)構(gòu)中為受彎構(gòu)件，剪切變形的影響比較小。文章在模擬梁的滯回反應(yīng)時是采用Takeda模型。柱在結(jié)構(gòu)中屬于壓彎（或壓彎剪）構(gòu)件。在反復(fù)荷載作用下，其恢復(fù)力特性較梁類構(gòu)件更為復(fù)雜，因為柱受到的軸力通常還是比較大的。為了比較好的模擬柱的捏縮效應(yīng)，在SAP2000中，彎矩一轉(zhuǎn)角恢復(fù)力模型采取退化的pivot模型。作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中重要的抗側(cè)力構(gòu)件，抗震墻在結(jié)構(gòu)中一般主要承受壓、彎、剪共同作用?？紤]到SAP2000中連接單元無法定義兩端鉸接，墻體采用二元件模型。

3 算例分析

八十年代初，在日本和美國聯(lián)合試驗研究項目中，使用大型試驗設(shè)備，對一棟七層足尺鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行的抗震性能試驗。柱截面尺寸皆為500mm×500mm；沿軸線A、B、C方向的主梁截面尺寸皆為300mm×500mm；沿軸線1～4方向的次梁截面尺寸皆為300mm×450mm；鋼筋混凝土抗震墻墻體厚度為200mm；樓板厚皆為120mm。

地震波采用修正宮城縣沖記錄、修正十勝沖地震記錄、修正Taft波記錄。

分析結(jié)果與實驗的對比顯示：計算模型比較成功的模擬了結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)的時程曲線，結(jié)構(gòu)振動基本周期也與實測結(jié)果較為吻合。

4 主要結(jié)論

根據(jù)軟件SAP2000的分析與實驗對比結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

①SAP2000中框架剪力墻結(jié)構(gòu)計算模型及其分析工況相關(guān)的設(shè)置具有普遍的適用性，有利于實際工程中的廣泛應(yīng)用。避免了參數(shù)選取的隨意性而造成的人為誤差，為在SAP2000中建模準(zhǔn)確性提供一定的參考依據(jù)。

②SAP2000中的一些參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響是很大的，如恢復(fù)力模型中的α，它控制滯回曲線中的卸載剛度的取值。這些重要參數(shù)的取值文章中都進(jìn)行了說明。

③各個構(gòu)件的恢復(fù)力模型的非線性力-位移骨架曲線定義中，文章采用的是三折線形式，雖然這與實際的存在一些差異，但還是能比較好描述構(gòu)件的骨架曲線。

④由前面的分析結(jié)果與實驗結(jié)果對比可知，連接單元能較好的反應(yīng)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)彈性階段、屈服及屈服后的性能。

參考文獻(xiàn)

[1]建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB 50011-2010.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).2010，12.

[2]混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 GB 50010-2010.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).2011，7.

[3]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程 JGJ3-2010.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).2011.10

[4]Taketa，Sozen and Nielson，Reinforced Concrete Response to Simulated Earthquakes，Proc .ASCE，J.struc.Div.vol.96，No.ST12，PP2557-2573，970

[5]Kabeysawa T.，Shioara T.，and Otani S.U.S.- Japan cooperative research on RC full-scale building test，Part 5： Discussion of dynamic response system[A].Proc.of 8th WCEE[C].San Francisco，U.S.A.1984，Vol.6，pp.627-634.