基于ansys的框架_剪力墻結(jié)構(gòu)有限元分析_h

1、 21江蘇建筑 2010 年第 1 期（總第 132 期）基于Ansys 的框架剪力墻結(jié)構(gòu)有限元分析 尤麗娟， 范 （東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210096） 摘 要 文章以一幢 22 層框架 剪力墻結(jié)構(gòu)為算例，運(yùn)用有限元軟件 Ansys 對(duì)其進(jìn)行了風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析以及結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，并與相同結(jié)構(gòu)尺寸、同等約束條件及荷載條件下的框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析，得出同等條件下，框架 剪力墻結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的X 方向、Y 方向的最大位移比框架結(jié)構(gòu)分別減小了 53.8%和 62.9%，研究成果對(duì)今后同類工程有一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞 框架 剪力墻；Ansys；模態(tài)分析；

2、風(fēng)荷載 中圖分類號(hào)TU378.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1005-6270（2010）01-0021-03Finite Element Analysis of Frame-Shear Wall Structure Based on AnsysYOU Li juan CHEN Zhong fan(Key Lab of RC&PC Sructure of Ministry of Education, Southeast University , Nanjing Jiangsu 210096 China)Abstract: Taking a 22-layer frame-shear wall struc

3、ture as an example, the response of wind load and struc- ture modal of frame-shear wall structure were analyzed by using large finite computer software ANSYS in this paper. The results were compare with frame structure of the same size, the same constraint and loadcondition 。The results showed that

4、compared with the frame structure, the maximum displacement of frame-shear wall structure along X direction and Y direction under wind load were reduced by 53.8% and 62.9% respectively.The results of its have certain reference value for the similar projects in the future. Key words: frame-shear wall

5、; Ansys; modal analysis; wind load 1 框架 剪力墻結(jié)構(gòu)簡介 框架 剪力墻結(jié)構(gòu)也稱框剪結(jié)構(gòu)， 一般用于高層建筑中，這種結(jié)構(gòu)是在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻，構(gòu)成靈活自由的使用空間， 是由框架和剪力墻兩種不同的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)組成的新的受力形式， 故它的框架不同于純框架結(jié)構(gòu)中的框架，剪力墻也不同于純剪力墻結(jié)構(gòu)中的剪力墻。 框架 剪力墻結(jié)構(gòu)在其下部樓層， 剪力墻的位移較小， 它拉著框架按照彎曲型曲線變形， 剪力墻承受大部分水平力， 上部樓層則相反， 剪力墻位移越來越大， 有外側(cè)的趨勢， 而框架則有內(nèi)收的趨勢， 框架拉剪力墻按照剪切型曲線變形，框架除了負(fù)擔(dān)外荷載產(chǎn)生的水

6、平力外，還負(fù)擔(dān)了把剪力 墻拉回來的附加水平力， 剪力墻不但不承受荷載產(chǎn)生的水平力， 還因?yàn)榻o框架一個(gè)附加水平力而承受負(fù)剪力， 所以， 上部樓層即使外荷載產(chǎn)生的樓層剪力很小， 框架中也會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)大的剪力。 2 Ansys 建立框架 剪力墻結(jié)構(gòu)的有限元模型 2.1 分析對(duì)象介紹 本次計(jì)算的是 22 層框架 剪力墻結(jié)構(gòu)， 平面為 21 m 42 m，底層柱截面為 1 m1 m， 柱高 6 m； 其它層柱截面為 0.8 m0.8 m，柱高 3 m；各層梁截面均為 0.3 m0.6 m；剪力墻厚 0.16 m； 組合樓板預(yù)制部分為 0.07 m， 現(xiàn)澆部分為 0.07 m，板總厚 0.14 m。結(jié)構(gòu)平面

7、布置及剪力墻布置如圖 1。 2.2 框架 剪力墻結(jié)構(gòu)的模型建立 2.2.1 結(jié)構(gòu)建模的總體規(guī)劃 框架 剪力墻結(jié)構(gòu)由空間梁柱框架、豎向剪力墻和水平樓板組成。 空間梁柱框架分為豎直方向立柱和水平方向樓板梁， 構(gòu)成整體結(jié)構(gòu)的骨架。 水平方向樓板梁用于支撐樓板，同時(shí)沿水平方向傳遞荷載給立柱。立柱主要用于承受結(jié)構(gòu)的豎向荷載。 剪力墻除了承受豎向荷載外， 主要用于增加結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，同時(shí)承受結(jié)構(gòu)的水平荷載。樓板承受每層的豎向荷 圖 1 結(jié)構(gòu)平面布置及剪力墻布置 收稿日期2009-09-04作者簡介尤麗娟，女（1984-），東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，碩士研究生。 22表 1模型參數(shù)表

8、 江蘇建筑2010 年第 1 期（總第 132 期） 構(gòu)件單元類型截面尺寸/m混凝土密度/kg/m3彈模 Pa框架柱底柱BEAM18811C4027003.25e10其他各層柱BEAM1880.80.8C4027003.25e10框架梁BEAM1880.30.6C4027003.25e10剪力墻SHELL630.16C4027003.25e10樓板SHELL630.14C3027003.0e10載并將其傳遞給樓板梁，同時(shí)增加結(jié)構(gòu)的剛度和整體性。 由于高層結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)埋置較深， 結(jié)構(gòu)在地面的側(cè)移 和轉(zhuǎn)動(dòng)不大， 因此在模型底端可以通過固支來模擬結(jié)構(gòu)的底部基礎(chǔ)。 在建立模型后將與地面接觸的所有節(jié)點(diǎn)施

9、加全部約束。 2.2.2 單元類型選擇及單元介紹和計(jì)算參數(shù)設(shè)定 圖 4 框架結(jié)構(gòu)前 6 階振型圖 整個(gè)模型采用兩種單元類型：BEAM188 和 SHELL63。梁柱框架中的梁和柱均采用 BEAM188 單元，剪力墻和樓板采用SHELL63 單元。 模型所用參數(shù)詳見表 1。 2.2.3 約束條件 由于高層結(jié)構(gòu)的樁基礎(chǔ)埋置較深，結(jié)構(gòu)在地面的側(cè)移和轉(zhuǎn)動(dòng) 不大，因此在模型底端可以通過固支來模擬結(jié)構(gòu)的底部基礎(chǔ)。 在建立模型后將與地面接觸的所有節(jié)點(diǎn)施加全部約束。 最終施加約束條件后，整個(gè)結(jié)構(gòu)的有限元模型如圖 2。 圖 2 結(jié)構(gòu)施加約束后的有限元模型 3 結(jié)構(gòu)模態(tài)分析 固有頻率和模態(tài)振型是結(jié)構(gòu)的重要?jiǎng)恿μ匦?/p>

10、， 這里計(jì)算得出了框 剪結(jié)構(gòu)的前 6 階固有頻率以及對(duì)應(yīng)的振型。同樣的， 這里也計(jì)算了同樣結(jié)構(gòu)尺寸的框架結(jié)構(gòu)的前 6 階固有頻率以及對(duì)應(yīng)的振型，以參照對(duì)比。 固有頻率見表 2， 前 6 階振型如圖 3、圖 4 。 圖 3 框 剪結(jié)構(gòu)前 6 階振型圖 從表 2 兩種結(jié)構(gòu)的固有頻率可以看出，同等條件下，框架結(jié)構(gòu)的固有頻率比框架 剪力墻結(jié)構(gòu)的固有頻率要小。這主要是因?yàn)?，?剪結(jié)構(gòu)中的剪力墻明顯增加了結(jié)構(gòu)的整體剛度。 從框架 剪力墻結(jié)構(gòu)的前 6 階振型可以看出，由于剪力墻沿著 X 方向和 Y 方向布置， 使得結(jié)構(gòu) X 方向和 Y 方向的剛度比較大，因此前六階振型主要是 Z 向的扭轉(zhuǎn)，另外還有 X 向和

11、Y 向的彎曲。 4 風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng) 風(fēng)荷載是高層建筑主要側(cè)向載荷之一。 風(fēng)荷載具有方向性， 這里分別在結(jié)構(gòu)的 Y 方向和 X 方向施加了風(fēng)荷載。風(fēng)荷載屬于表面載荷，計(jì)算中為簡便起見，將風(fēng)荷載等效的施加在結(jié)構(gòu)外表 面的梁柱匯交處。 基本風(fēng)壓取 0.25 kN/m2, 體形系數(shù)取 1， 各 層的高度變化系數(shù)及等效風(fēng)荷載如表 3 所示。 在高層建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)分析中， 風(fēng)載荷作為靜載荷處理， 因此分析類型采用靜力分析。 這里將相同尺寸、相同邊界條件及相同荷載條件的框架 剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)作了對(duì)比，計(jì)算結(jié)果如圖 5圖 7。 分析結(jié)果表明，由于剪力墻顯著增加了框架 剪力墻結(jié)構(gòu)的剛度，使得同等條件

12、下，框 剪結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載下的 X 方向、Y 方向的最大位移比框架結(jié)構(gòu)分別減小了 53.8% 和62.9%；在 X 向作用相同風(fēng)荷載時(shí)， 框架 剪力墻結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力最大值達(dá)到了 5.641 MPa，而框架結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力最大值僅為 1.669 MPa； 在 Y 向作用相同風(fēng)荷載時(shí)， 框架 剪力墻結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力最大值達(dá)到了 4.721 MPa，而框架結(jié)構(gòu)的第一主應(yīng)力最大值僅為 1.378 MPa。 由于剪力墻沿著 X 方向和 Y 方向布置的，使得結(jié)構(gòu) X 方向和 Y 方向的剛度很大， 在分析中，X 向和 Y 向均出現(xiàn)了負(fù)位移，并且最大最小位移的絕對(duì)值相等，這說明，在本次荷載條件下， 結(jié)構(gòu)分別沿

13、X 向和 Y 向發(fā)生了位移的同時(shí) 表 2框 剪結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的固有頻率 振型頻率 123456框 剪結(jié)構(gòu) 0.660570.692530.744462.56152.7942.8165框架結(jié)構(gòu) 0.390080.416130.448481.20151.27581.3767 23江蘇建筑 2010 年第 1 期（總第 132 期）表 3高度變化系 數(shù)及等效風(fēng)荷載 高度 Z/m 等效風(fēng)荷載/kN 高度變化系數(shù) 軸線 1軸線 26軸線 7軸線 A軸線 B、C軸線 D60.21254.46258.9254.46254.46258.9254.462590.24252.546255.09252.546252

14、.546255.09252.54625120.2652.78255.5652.78252.78255.5652.7825150.28522.99255.9852.99252.99255.9852.9925180.30256.352512.7056.35256.352512.7056.3525210.31756.667513.3356.66756.667513.3356.6675240.336.9313.866.936.9313.866.93270.3457.24514.497.2457.24514.497.245300.3557.45514.917.4557.45514.917.455330.

15、36757.717515.4357.71757.717515.4357.7175360.37757.927515.8557.92757.927515.8557.9275390.38758.137516.2758.13758.137516.2758.1375420.3958.29516.598.2958.29516.598.295450.4058.50517.018.5058.50517.018.505480.41258.662517.3258.66258.662517.3258.6625510.42258.872517.7458.87258.872517.7458.8725540.439.03

16、18.069.039.0318.069.03570.43759.187518.3759.18759.187518.3759.1875600.4459.34518.699.3459.34518.699.345630.459.4518.99.459.4518.99.45660.45759.607519.2159.60759.607519.2159.6075690.4659.76519.539.7659.76519.539.765 圖 5 框 剪結(jié)構(gòu)（ 左圖） 與框架結(jié)構(gòu)（ 右圖） 在 X 向風(fēng)荷載作用下的第一主應(yīng)力分布 圖 6 框 剪結(jié)構(gòu)（ 左圖） 與框架結(jié)構(gòu)（ 右圖） 在 Y 向風(fēng)荷載作用下的第一主應(yīng)力分布 還沿著 Z 軸有轉(zhuǎn)動(dòng)。 5 結(jié)語 （1） 文中運(yùn)用 ANSYS 有限元分析軟件建立了框架 剪力墻結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)的三維有限元模型, 并對(duì)模型進(jìn)行了模態(tài)分析,通過比較前 6 階固有頻率和振型， 得出框架 剪 圖 7 風(fēng)荷載作用下下框 剪結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)的位移隨高度變化曲線