某北方村鎮框架結構民宅動力特性分析

高 冉 蘇義坤 崔真榕

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

·結構·抗震·

某北方村鎮框架結構民宅動力特性分析

高 冉 蘇義坤 崔真榕

(東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

為了研究北方村鎮中單層框架結構體系民宅的動力特性，采用有限元軟件ANSYS對某北方村鎮民宅的主框架建立三維有限元模型，并計算了主體框架的前六階主振型，得到了前六階振型的結構自振頻率、周期、主振型特點等動力特性參數，所得到的結論可以為北方村鎮框架結構體系民宅的抗震設計提供依據。

北方村鎮，框架結構，動力特性

0 引言

近年來國內外地震頻發，2015年4月的尼泊爾大地震、2014年的云南魯甸地震以及2008年的汶川大地震等等，這些地震既造成了大量經濟損失，同時由于地震發生多處于村鎮地區，而村鎮民宅結構的抗震性能較弱，也帶來了大量的人員傷亡。因此對于村鎮民宅進行動力特性的分析是很有必要的。

隨著我國社會主義新農村建設的持續開展，越來越多的村鎮民宅由原來的磚混結構改建成抗震性能較好的框架結構，而隨著深化改革的進行，未來框架結構的村鎮民宅建筑將會占據較大的比例。本文以某北方村鎮民宅為計算模型，對其進行模態分析，得到單層框架結構的動力特性參數。

1 計算模型

根據相關文獻調查可知，我國北方村鎮民宅大多都是獨棟院落式單層建筑，由于我國北方地區天氣寒冷，村鎮居民生活簡陋，其村鎮民宅的平面布局主要是“一明兩暗”的形式，我國北方村鎮民宅的傳統戶型以長方形為主，沿南北向布置，一般只具備簡單的“吃”與“住”的功能，其某單層框架型的北方村鎮民宅的結構圖如圖1所示[1]。

運用ANSYS12對民宅結構的主體框架建立三維有限元模型，模型采用Beam188梁單元，建立模型以后將單元劃分網格并在立柱處施加固定約束，對模型施加自重荷載。建立的有限元計算模型如圖2所示。

2 動力特性分析

對結構進行動力響應分析的基礎是了解結構的動力特性?？蚣芙Y構的動力特性參數主要有自振頻率、自振周期以及主振型等。在ANSYS中，通過模態分析可以得到框架結構相關的動力特性參數，主要思路是將框架結構離散化，并將有限元矩陣進行解耦進而轉化為求矩陣特征值的辦法，然后進行求解可以得到結構的動力特性參數。

在ANSYS中對框架結構進行動力分析有多種辦法，本例采用Subspace法對該框架體系進行動力分析并且提取結構前六階模態的自振頻率、自振周期以及主振型圖。所提取的動力特性參數如圖3所示。

根據圖3中所顯示的該單層框架結構北方村鎮民宅的動力特性可以看出，隨著模態階數的增加，單層框架結構的自振頻率在不斷的增大，而自振周期在不斷的減小，而增減的幅度隨著階數的增大也在不斷提升，但前六階模態的頻率總體變化不是很大，第六階模態的自振頻率為20.334 Hz，僅為第一階模態自振頻率12.246 Hz的1.69倍。在第一階模態中，主要是主梁跨中的輕微上翹，而上翹幅度最大的主梁則是跨徑最大的主梁，因此在振動過程中最容易破壞的就是大跨度的主梁，在結構設計時應注意抗震，而在第一階模態中立柱的變形很小。第二階模態的自振頻率較第一階模態頻率稍大一點，其變形開始出現在其他的主梁上，此時主梁的變形仍以豎彎為主，由于梁體變形引起了梁柱之間剛節點的變形，此時的立柱也發生了輕微的側移。在第三階模態中，柱體的變形持續增大，且最大變形處位于梁柱的剛節點處。在第四階模態里，最長跨徑的主梁開始出現側彎，第五、第六階模態的主要變形仍是上部主梁的側彎變形，且變形的位置不斷改變，變形的幅度越來越大，由于主梁側彎引起的立柱的側移和橫移，最后導致框架整體的大幅度變形。在前六階變形中，并未出現梁柱的扭轉變形，這說明單層框架結構的抗扭能力較好。

3 結語

通過對我國北方村鎮某框架結構民宅的動力特性分析，我們可以看出框架結構的抗震動性能較好，第一階模態發生于10 Hz以上的頻率。而前六階模態的振動頻率依次增大但相差不多，因此在振動發生時，此類結構很容易因為連續的振動變化而損傷。在前六階模態里，振型變化主要是主梁的變形，在低頻率下主梁發生豎彎，高頻率時主梁發生橫彎變形，且跨徑大的主梁更易發生變形，主梁的變形引發的附加荷載會從剛節點傳到立柱，引起立柱變形，因此在抗震設計時應注意加固。

[1] 趙加寧，王東魁，嚴柳生.冷凍空調系統添加劑之節能應用[A].全國暖通空調制冷2010年學術年會論文集[C].2010.

[2] 李廉錕.結構力學[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3] 傅志方.模態分析理論與應用[M].上海：上海交通大學出版社，2000.

[4] 蘇義坤,賴卓平,姚 琪.我國村鎮非標民宅功能現狀調查與分析[J].經濟師,2015(1):19-20.

[5] 何鈺龍.人行鋼桁架橋動力特性及反應譜分析[J].黑龍江工程學院學報，2015，29(1):12-15.

Analysis of dynamic characteristics of frame structure houses in northern rural areas

Gao Ran Su Yikun Cui Zhenrong

(NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study dynamic characteristics of single frame system in northern villages houses, the main frame of the finite element software ANSYS to a northern village houses the establishment of three-dimensional finite element model, the main frame of the first six order vibration mode and structure calculation, the first 6 modes of vibration frequency, cycle, the main vibration characteristics the dynamic characteristic parameters are obtained, and provide the basis for seismic design of the results for northern villages frame houses.

northern villages, frame construction, dynamic characteristics

2015-04-23

高 冉(1992- )，男，在讀本科生; 蘇義坤(1972- )，男，博士，教授； 崔真榕(1993- )，女，在讀本科生

1009-6825(2015)19-0020-02

TU311.3

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