基于鋼筋混凝土框架結構動力分析研究

占羅龍，揭建剛，陳玉春，陶武金，何鑫，劉文

（豐和營造集團股份有限公司，江西 南昌 330000）

1 引言

工程事故調查表明，框架結構在罕遇地震作用下整體抗震性能主要受到梁柱節點處性能影響[1]。框架柱與梁破壞失效有可能造成整個結構體系連續坍塌[2]，在結構設計時鋼筋混凝土框架結構應設計成延性破壞。鋼筋混凝土框架結構進入非彈性彈塑性階段，內力增加很小，變形增加非常大，因此位移是控制結構在抗震分析的主要指標[3]。本文采用動力分析方法，將地震荷載輸入到結構計算模型中，可得出結構任意時刻的位移、速度、加速度及應力。研究表明，框架結構的豎向水平最大位移是控制結構的經濟指標[4]。采用ANSYS有限元分析，設定鋼筋混凝土框架結構分析模型，對鋼筋混凝土框架結構展開研究分析。ANSYS技術廣泛應用于現代建筑混凝土結構中，該技術具有豐富的數據庫[5]。ansys有限元方法智能化菜單引導、幫助等，為用戶提供了強大的實體建模及網絡的劃分工具。

2 有限元分析

2.1 模型介紹

結合結構設計及工程經驗，本文采用三個單跨鋼筋混凝土框架進行計算，三個框架的跨度均為3.6m，框架高都分別為4.5m、6m、9m，且分別以框架1、框架2、框架 3表示（如表1，圖1）。

2.2 有限元模型建立

表1 三個框架尺寸

圖1 三個框架簡圖

框架結構的有限元模型如圖2所示，將空間框架結構簡化為二維模型，結構建模采用彈性單元，框架的有限元網格如圖2所示。計算過程中，預設框架梁柱都不會出現質量損傷和剛度退化現象。框架所處地區地震設防烈度為8度，抗震設防類別為甲類。鋼筋混凝土框架采用C20混凝土，鋼筋采用HRB335。模型中，鋼筋混凝土材料彈性模量為2.55×104 N/mm2，疲勞變形模量1.1×104 N/mm2，混凝土線膨脹系數1×10-5/℃，泊松比為 0.2，容重為 2400kg/m2。

圖2 三個框架有限元模型圖

2.3 地震荷載輸入

在人類歷史上第一次捕捉到的最大加速度超過300cm/s2的強震記錄是在1940年美國埃爾森特羅（EL-Centro）地震波記錄中獲取的，該地震記錄具有很強的代表性，地震記錄總持時50s，本文截取前20s作為研究分析的輸入荷載（如圖3），前20s所包含的能量達到總能量的84.5%，滿足研究要求。

3 計算結果分析

圖3 1940年美國EL-Centro地震波記錄

3.1 選擇研究方向

鋼筋混凝土框架結構分析采用的坐標系設定見圖2所示，在ANSYS計算環境中X方向為橫向，Y方向為豎向，Z方向為縱向。在峰值位移比較中會給出Y方向柱頂峰值位移數據來與X方向進行比較。計算分析時，本文主要研究X方向上動力響應。

3.2 框架應力分析

采用ANSYS有限元計算軟件，可得出三個鋼筋混凝土框架結構應力云圖，文中僅給出鋼筋混凝土框架X方向應力云圖。

圖4 框架X方向應力云圖

三個鋼筋混凝土框架應力隨高度變化情況見圖4所示，本文僅選擇梁柱節點作為應力變化的討論對象。圖4中結果表明：在地震作用下，不同高度鋼筋混凝土框架應力值差異較大，框架1梁柱節點處應力最小，框架3梁柱節點處應力最大。在EL-Centro地震荷載下，框架1、框架2及框架3梁柱節點處的應力峰值分別為0.414MPa、0.434MPa及0.454MPa，三個框架梁柱節點最大是最小應力的1.1倍，應力差為0.04MPa。框架3梁柱節點處應力是框架2的1.05倍，應力差為0.02MPa。同一框架的不同部位部位應力值不同、位移響應峰值不同以及加速度峰值也不同。從應力圖中還可以看出，框架梁柱節點和橫梁跨中應力較大，框架梁跨中撓度最大。在地震荷載作用下，框架跨度不變的情況下，隨著框架高度增加梁柱節點處應力也隨之增加，柱頂位移也呈現遞增的規律，這種變化規律可為鋼筋混凝土結構設計及研究提供相應的參考。

3.3 框架位移分析

三個框架在地震荷載作用下柱頂X方向和Y方向的位移峰值表2和圖5所示。從表2和圖5所顯示的結果來看，同一地震荷載作用下、不同高度框架的位移峰值差異均顯著，相同部位、不同方向上的位移峰值的差異也較大。

表2 框架柱頂位移（×10-3mm）

從圖5中還可以得出X方向上的位移明顯比Y方向上的位移大很多。框架3柱頂X方向位移峰值最大，達到了9.79×10-3mm，比框架2柱頂X方向位移峰值大3.30倍，比框架1柱頂X方向位移峰值大14.03倍。同時框架3柱頂Y方向位移峰值達到了0.104×10-3mm，比框架2柱頂Y方向位移峰值大1.82倍，比框架1柱頂Y方向位移峰值大5.84倍。從圖6中可知，框架隨著高度的增加，在地震荷載下頂部的位移就相應的增加，且Y方向位移要比X方向上的小很多，是因為在ANSYS計算環境中框架結構Y方向剛度遠大于X方向，剛度是影響結構位移重要因素。本文研究的最大高度是9m，實際生活中存在更高的鋼筋混凝土框架結構，有待進一步進行分析研究。

圖6 三個框架柱頂X方向位移

圖7 三個框架柱頂Y方向位移

4 結論

本文利用ANSYS有限元軟件對鋼筋混凝土框架結構進行動力計算分析，ANSYS軟件的計算精度較高，計算結果更直觀。利用該軟件會大大提高設計人員對鋼筋混凝土框架結構計算的能力。在鋼筋混凝土結構無剛度退化和質量損傷情況下，對結構應力、位移進行對比分析，結果顯示壩體在X方向上的最大應力要大于Y方向的最大應力，所以X方向是以后檢測與監測的主要方向。研究還表明，隨著框架結構高度增加，鋼筋混凝土結構梁柱節點應力和柱頂位移也隨之增加。本文只對單榀框架進行動力分析，對鋼筋混凝框架空間動力分析研究還有待進一步探索。