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论在基于ANSYS分析的框—剪结构的模态分析和动力时程分析


论在基于 ANSYS 分析的框—剪结构的模态分析和动力时程分析 摘要:框架——剪力墙结构是由框架和剪力墙两种不同的抗侧力结构组成, 其变形特点为弯剪型,受荷载时,二者协同工作。本文以 ANSYS 动力有限元分 析,对框——剪结构的 ANSYS 模型,进行相关模态分析,对其固有频率及模态 振型作出相关研究, 同时采用常用的著名地震记录波——El Eentro 波作为时程分 析的地震作用输入,分析其在地震作用下的位移等相关响应,找出其基本特点, 为结构设计提供相关参考。 关键词:框——剪结构 模态分析 时程分析 一、引言 框—剪结构的抗震性能及其在地震作用下的阵型, 对于结构的在地震作用下 的响应有很大的联系。 框—剪结构具有布置灵活,较易形成较大的空间,且立面处理丰富等优点, 同时又可以具有较大的抗侧刚度,抵抗水平荷载能力强。一般地,框—剪结构体 系中,框架和剪力墙通过刚性楼盖联系在一起,共同承担水平力,由于各层楼板 的约束作用,使它们的变形保持一致,侧移协调一致,因此框—剪结构的变形为 弯剪型变形。 二、有限元模型的建立 本文中框—剪结构的模型采用两种单元类型,BEAM4 梁单元和 SHELL63 壳单元。梁柱框架中的梁和柱采用 BEAM4 梁单元,剪力墙和楼板则采用 SHELL63 壳单元。 文中各构件的参数: 梁:截面尺寸统一采用 250mm× 350mm; 柱:底层柱截面尺寸为 500mm× 500mm,其余为 400mm× 400mm; 剪力墙:厚度取为 250mm;楼板:厚度取为 100mm; 整个模型中,统一采用 C30 混凝土,弹性模量为 3.0× 104N/mm2,泊松比为 0.3。同时由于结构的桩基础埋深较大,结构在地面上的侧移和转动不大,因此 在模型底端采用固支来模拟实际情况,同时取为 9 层。 三、模态相关分析 模态分析是用于确定结构的振动特性—固有频率及模态形状—阵型的一种 动力学分析。 文中对框—剪结构取八阶阵型, 其各个阵型的固有频率及部分阵型如下图所 示: 结构的振动频率是结构的内在属性,由结构的 3 个因素决定:材料、质量、 尺寸。 结构的阵型频率与结构在地震作用下的响应是有极大的联系的。 我们知道, 在机械系统所受激励的频率与该系统的某阶固有频率相接近或相等时, 系统振幅 显著增大,出现明显的阵型变化等一系列相关的现象,称之为共振。亦即当地震 震动的震动频率与建筑结构固有频率接近时,那么就会发生危害极大的共振现 象,毁坏建筑物。同时,越靠后的阵型,结构越不会出现,一般只研究结构的前 三个阵型。从阵型三可以看出,结构已经发生了明显的扭转,此时的频率为 1.3943,与一般地震的振动频率还是比较的接近,因此,对于框—剪结构要通过 改变其属性而是其固有频率发生改变远离地震动的振动频率,防止结构发生共 振。 四、动力时程分析 文中采用的时程波为著名地震记录波—El Eentro 波, 模型中输入的是其中的 一部分,时长为 3s,时间间隔为 0.02s,场地类型为 III 类场地,地震动为从 X 和 Y 两个方向分别输入,且不考虑行波效应,求解时采用允许结构由非线性的 Full 求解法。 从图三结构的整体变形来看,框—剪结构发生的变形为明显的弯剪型变形, 呈明显的反“S”型。变形趋势随高度增大而变小。 从图四的节点位移看出, 该处节点再某一时间发生了最大位移,而且位移增 大和减小和突然的, 则可以推断该处对应的时间可能就是该结构和地震动振动频 率较接近的可能发生共振现象的频率。 五、结论 从以上的分析可以看出, 框—剪

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