基于ANSYS的剪力墙结构抗震性能分析_毕继红
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量 为 ：ｍＢ２＝４．０２×１０７ ＋９４５×５．３７×２４ ０００÷９．８÷２
＝４．６３×１０７ ｋｇ．转 动 惯 量 的 取 值 按 照 日 本 规 范 的 规
定选用回 转 惯 性 重 量Ｉｇ 换 算 后 的 结 果，其 中Ｉｇ 的 计
算公式为
［ （ ）］ Ｉｇ
＝
Ｗ· １２
Ｄ２ ＋
Ｗ γ ×ＢＤ
根据简化模 型 建 立 ＡＮＳＹＳ 有 限 元 模 型 时 需 要 确定单元的类 型 及 实 常 数，以 地 下 ２ 层 为 例，如 图 ３ 所示的平面 图，模 型 中 质 点 ｍＢ２ 选 择 ｍａｓｓ２１ 结 构 质
图 ３ 地 下 ２ 层 平 面 图
计算时 Ｗ 取 地 下 ２ 层 的 重 量，Ｄ 取 该 层 地 板 沿 受力方向 的 长 度，Ｂ 为 地 板 沿 垂 直 于 受 力 方 向 的 长 度，根据图示在计 算 Ｂ 和 Ｄ 时 不 考 虑 楼 板 外 伸 的 部 分，γ 取钢筋 混 凝 土 的 容 重，则 求 得 该 层 的 回 转 惯 性 重 量 为 １．６１×１０１１ Ｎ·ｍ２ ，故 地 下 ２ 层 质 量 单 元 的 转 动 惯 量 取 １．６１×１０１１÷９．８＝１．６４×１０１０ ｋｇ·ｍ２．
（１．滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津大学 建筑 工程学院，天津 ３０００７２；２．天津 大学 建 筑 工 程 学 院 ，天 津 ３０００７２）
摘要：根据实际工程的要求，需对日本某现有的剪力墙结构做抗震性能分析，考虑 到 此 结 构 位 于 地 震频繁的日本，且剪力墙布置不规则，质 量 分 布 不 均 匀，在 分 析 时 应 采 用 简 化 了 的 结 构 模 型，并 利 用时程分析法计算地震作用．本文选择常见的单轴多质点体系进行模型的简化，突 出 的 是，在 处 理 地基对基础的约束作用时采用了 Ｔａｊｉｍｉ模型的结果，在计算机模拟时利用大型通用有限元分析软 件 ＡＮＳＹＳ进行建模、模态分析以及地震时程分析．分 析 结 果 需 要 与 日 本 当 地 的 抗 震 要 求 对 比，主 要对剪力墙的剪应力和基础转角进 行 验 算，藉 以 评 测 结 构 的 抗 震 性 能，旨 在 探 索 这 种 诊 断 类 似 建 筑 物 抗 震 性 能 的 思 路 和 方ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ法 ，为 国 内 抗 震 研 究 的 进 一 步 完 善 提 供 参 考 价 值 ． 关 键 词 ：工 程 结 构 抗 震 ； ＡＮＳＹＳ 软 件 ； 模 态 分 析 ； 时 程 分 析 法 中图分类号：ＴＵ３９８＋ ．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－９４８Ｘ（２０１２）０６－００６８－０５
２．２０×１０４ ＭＰａ，根 据 实 际 情 况 选 择 建 立 二 维 模 型 ，对 结 构 抗 震 分 析 时 只 计 算 平 面 内 的 变 形 和 内 力 ，所 以 需 要约束各节点在平面外的线位移和平面外的角位移， 由此建成后的有限元模型如图４所示．
９４５×５．３７÷（５．３７－１．７）＝０．７２７ ７．根 据 以 上 的 计
２
（１）
图 １ 剖 面 图
分 析 时 对 结 构 进 行 简 化 ，根 据 日 本 当 地 抗 震 设 计 技术指引［４］，简化 为 图 ２ 所 示，即 将 原 结 构 简 化 成 单 轴 多 质 点 体 系 ，即 基 础 以 上 的 各 层 楼 板 集 中 质 量 简 化 成质点系，并 将 层 间 剪 力 墙 简 化 成 连 接 质 点 的 梁 结 构 ，可 以 准 确 地 反 映 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 抵 抗 弯 曲 和 剪 切 的 特 性 ，同 时 利 用 水 平 弹 簧 和 转 动 弹 簧 模 型 来 模 拟 地 基 的 约 束 ，以 反 映 地 基 与 建 筑 物 之 间 的 动 态 作 用 ．
收 稿 日 期 ：２０１２－１０－０８ 基 金 项 目 ：国 家 级 重 点 基 金 资 助 项 目 （５１２２７００６） 通 信 作 者 ：毕 继 红 （１９６５－ ），女 ，教 授 ，博 士 生 导 师 ，主 要 研 究 方 向 为 工 程 结 构 ．Ｅ－ｍａｉｌ：１３８２１８６２０５１＠１６３．ｃｏｍ
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｑｕｅｓｔ ｏｆ ａｃｔｕａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ａ ｓｈｅａｒ ｗａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ Ｊａｐａｎ．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ Ｊａｐａｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ｃｏｕｎｔｒｙ ｏｆ ｆｒｅｑｕｅｎｔ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｖｅｒｙ ｉｒｒｅｇｕｌａｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｓｓ ｉｓ ｕｎｅｖｅｎ．Ａｂｏｖｅ ａｌｌ ｔｈｅｓｅ ｒｅａｓｏｎｓ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｏｕｌｄ ｕｓｅ ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｔｉｍｅ ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄｓ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ａｓ ｓｉｍｐｌｉｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｅｌｅｃｔｓ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ａｘｉｓ ａｎｄ ｍｕｌｔｉ－ ｍａｓｓ ｅｌａｓｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｉｎ ｅｓｐｅｃｉａｌ，ｉｔ ｓｅｌｅｃｔｓ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ Ｔａｊｉｍｉ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｓｅｉｓｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＡＮＳＹＳ ｐｒｏｇｒａｍ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐｏｓｔ－ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｕｌｄ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｔｏ ｔｈｅ Ｊａｐａｎｅｓｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｃｏｄｅｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｗａｌｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｃｏｄｅｓ ｒｅｑｕｉｒｅ ｕｓ ｔｏ ｃｈｅｃｋ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｓｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｅａｒ ｗａｌｌｓ ａｎｄ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ．Ｓｏ ｉｔ ｃａｎ ｇｅｔ ｔｈｅ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒ．Ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｓ ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ａ ｎｅｗ ｗａｙ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃ ｂｅｈａｖｉｏｒ ａｂｏｕｔ ｓｉｍｉｌａｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｉｔ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆ－ ｅｒｅｎｃｅ ｖａｌｕｅ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｎ Ｃｈｉｎａ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； ＡＮＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ； ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ； ｔｉｍｅ ｈｉｓ－ ｔｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｍｅｔｈｏｄｓ
第 ３４ 卷 第 ６ 期 ２０１２ 年 １２ 月
三 峡 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ） Ｊ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖ．（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）
Ｖｏｌ．３４ Ｎｏ．６ Ｄｅｃ．２０１２
基于 ＡＮＳＹＳ的剪力墙结构抗震性能分析
毕 继 红１ 常 献 辉２ 逯 鹏２ 鲍 春２
连接质点系的梁 结 构 选 用 ｂｅａｍ４ 三 维 弹 性 梁 单 元，需求出梁单 元 的 横 截 面 积、截 面 惯 性 矩 和 考 虑 剪 切变形时的剪切变形常数．以地下２层与地下 １ 层间 的剪力墙为例，由平面图可求得该梁单元的面积 以及 沿地震作用力方向的截面惯性矩，而梁单元的剪切 变 形常数计算方法为
第３４卷 第６期 毕继红，等 基于 ＡＮＳＹＳ的剪力墙结构抗震性能分析
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地 震 作 为 一 种 突 发 式 自 然 灾 害 ，会 造 成 人 身 伤 亡 和房屋破坏、交通 中 断、水、火、疾 病 等 次 生 灾 害 及 社 会 与 政 治 危 害 ，需 要 得 到 设 计 、研 究 人 员 的 重 视 ．为 了 减 轻 地 震 灾 害 ，必 须 大 力 进 行 地 震 预 报 和 地 震 工 程 方 面的工作，并对 结 构 做 出 整 体 抗 震 性 能 分 析．本 文 研 究 的 对 象 是 日 本 某 现 有 的 钢 筋 混 凝 土 剪 力 墙 结 构 ，鉴 于其结构布置 不 规 则，质 量 分 布 不 均 匀，需 要 简 化 为 单 轴 多 质 点 结 构 模 型 ，在 使 用 有 限 元 软 件 求 解 多 质 点 系结构地 震 作 用 方 面，有 李 妍 等 使 ［１］ 用 的 底 部 剪 力 法、孙占琦等 使 ［２］ 用 的 振 型 分 解 反 应 谱 法 和 李 令 松、 苏明周［３］使用的 时 程 分 析 法，本 文 借 鉴 文 献 ［３］中 的 时 程 分 析 法 进 行 内 力 计 算 ，选 择 日 本 已 有 记 录 的 地 震 波作为抗震设防的条件，使用 ＡＮＳＹＳ软件进行 有 限 元 分 析 ，根 据 日 本 当 地 的 规 范 要 求 对 结 构 做 出 理 论 上 的抗震性能测评．
１ 建立有限元模型
该 结 构 主 体 为 短 肢 剪 力 墙 结 构 ，通 过 钢 筋 混 凝 土 剪力墙抵 抗 地 震 作 用 下 的 水 平 剪 力、竖 向 轴 力 和 弯 矩．随着楼层的 增 加，剪 力 墙 所 需 承 受 的 内 力 逐 渐 变 小 ，剪 力 墙 所 需 的 厚 度 也 逐 渐 变 小 ，所 以 结 构 层 高 、墙 厚 、平 面 布 置 都 不 均 匀 ，需 要 简 化 模 型 后 计 算 分 析 ．此 建筑为 地 下 ２ 层，地 上 ６ 层，其 总 高 度 ４３．７２ｍ，长 ７３．４ｍ，宽５３．７ｍ，基 础 顶 面 标 高 为 －２．５７０ｍ，其 中 竖向剖面图如图１所示．
