高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)動力特性研究
【摘要】框架-剪力墻結(jié)構(gòu)是高層建筑中應(yīng)用較為廣泛的一種結(jié)構(gòu)體系，其抗震性能及彈塑性位移研究正處于發(fā)展階段。本文在分析框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系的基礎(chǔ)上，重點通過數(shù)值模擬技術(shù)分析了高層框架剪力墻結(jié)構(gòu)動力特性，對于今后框架-剪力墻結(jié)構(gòu)發(fā)展具有一定幫助。
【關(guān)鍵詞】高層建筑結(jié)構(gòu)；框架-剪力墻結(jié)構(gòu)；動力特性
1 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系概述
框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系是在框架結(jié)構(gòu)中布置一定數(shù)量的剪力墻所組成的結(jié)構(gòu)體系。由于框架結(jié)構(gòu)具有側(cè)向剛度差，水平荷載作用下的變形大，抵抗水平荷載能力較低的缺點，但又具有平面布置較靈活、可獲得較大的空間、立面處理易于變化的優(yōu)點；剪力墻結(jié)構(gòu)則具有強度和剛度大，水平位移小的優(yōu)點與使用空間受到限制的缺點。將這兩種體系結(jié)合起來，相互取長補短，可形成一種受力特性較好的結(jié)構(gòu)體系-框架，剪力墻結(jié)構(gòu)體系。剪力墻可以單片分散布置，也可以集中布置[1]。為了初步了解結(jié)構(gòu)的動力特性，對框架．剪力墻結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，并從影響結(jié)構(gòu)的動力特性的不同因素考慮結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型的變化規(guī)律。
2 框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的動力特性探討
2.1 結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析
結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)決定于結(jié)構(gòu)本身固有特性和地震動特性。結(jié)構(gòu)體系中比較重要的動力特性是結(jié)構(gòu)在無阻尼情況下的自由振動頻率和相應(yīng)的振型。結(jié)構(gòu)在動荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)件的最大內(nèi)力、位移和變形等都與結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型特點密切相關(guān)，因此尋求自振頻率和振型是進行各項動力分析的前提和基礎(chǔ)，尋找結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型是計算分析的主要內(nèi)容，因此首先進行模態(tài)分析。本文利用ANSYS中的子空間迭代法，對初始模型進行模態(tài)分析，初步了解了框架．剪力墻結(jié)構(gòu)的動力特性。
考慮豎向重力荷載對模態(tài)的影響，采用子空間迭代法進行模態(tài)求解，分析不同模型下的自振頻率及前幾階振型圖，觀察此框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的自振頻率規(guī)律及各階模態(tài)的振型曲線、振型特性的規(guī)律。
表1前十階振型特點
表1前十階振型特點，通過表1可以看出，出模型的第一振型為X方向整體平動，對應(yīng)頻率為O．6897Hz，周期為1．4536s，對應(yīng)最大位移為0．8310mm；第二振型為Y方向整體平動，對應(yīng)頻率0.8740Hz，周期為1.1494s，對應(yīng)最大位移為0.7865mm。第一、第二振型沿高度都呈較明顯的彎曲型位移分布，即底部變形較小，而上部位移較大，且第一主振型X方向的最大位移大于第二主振型Y方向的最大位移，這是由于結(jié)構(gòu)X方向為長軸方向，沿X方向布置的剪力墻間距較大，Y方向為短軸方向，沿Y方向布置的剪力墻間距較小，使x方向的剛度較Y方向的小，因此結(jié)構(gòu)的振動控制方向為x方向。又由第一、第二周期相差不大，可知結(jié)構(gòu)的剛度分布是比較均勻的。第三振型為繞Z方向的扭轉(zhuǎn)振型，對應(yīng)頻率為1.3721Hz，周期為0.7288s，符合高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中前兩階振型不能為以扭轉(zhuǎn)振型為主的規(guī)定。結(jié)構(gòu)以平動為主的第一自振周期T1=1.4536s，以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期T3=0.7288s，其比值T3／T1=0.5014，小于《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3―2002)中規(guī)定的值0.85，從扭轉(zhuǎn)變形分布特點上看，整體協(xié)調(diào)性較強，沒有出現(xiàn)顯著的局部位移放大現(xiàn)象，說明本結(jié)構(gòu)體系平面布置對稱、規(guī)則合理，立面上質(zhì)量、剛度分布較均勻，結(jié)構(gòu)抗扭能力滿足要求。。從以上分析結(jié)果表明，本文的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)計算模型具有良好的整體性能，適合于計算研究。
2.2 結(jié)構(gòu)內(nèi)部特性對結(jié)構(gòu)動力特性的影響
幾個低階振型的運動在總運動中占主導地位，因此這里主要對結(jié)構(gòu)前兩階振型即結(jié)構(gòu)的X向一階、Y向一階進行分析，研究框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的動力特性變化規(guī)律。結(jié)構(gòu)的動力特性及抗震性能跟結(jié)構(gòu)的內(nèi)部構(gòu)造有關(guān)系，因此本文針對不同剪力墻厚度、不同樓板厚度、不同底層高度、有無中間剪力墻這幾種情況來分析框架，剪力墻結(jié)構(gòu)的固有頻率、振型的變化規(guī)律，從而研究結(jié)構(gòu)抗震性能。
2.2.1 不同剪力墻厚度的模態(tài)分析
通過不同剪力墻厚度情況下結(jié)構(gòu)的固有頻率和幅值比較分析，隨著剪力墻厚度的增加，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的固有頻率逐漸增大，結(jié)構(gòu)振動的振幅即最大位移逐漸減小，這說明剪力墻厚度影響著結(jié)構(gòu)的動力特性，剪力墻厚度的增加在一定程度上提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力。
2.2.2 不同樓板厚度的模態(tài)分析
通過不同樓板厚度情況下結(jié)構(gòu)的固有頻率和幅值比較分析，隨著樓板厚度的增加，框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的固有頻率逐漸減小，減小趨勢趨近平緩，結(jié)構(gòu)振動的振幅即最大位移也逐漸減小，這說明樓板厚度同樣影響著結(jié)構(gòu)的動力特性，但影響不是很明顯，樓板厚度的增加也不一定提高了結(jié)構(gòu)的抗震能力。因此，對于高層框架．剪力墻結(jié)構(gòu)樓板的選擇要根據(jù)其結(jié)構(gòu)固有特性進行驗算選擇適當?shù)臉前搴穸取?nbsp;
2.2.3 不同底層高度的模態(tài)分析
通過不同底層高度情況下結(jié)構(gòu)的固有頻率和幅值比較可得，隨著底層高度的增加，框架-剪力強結(jié)構(gòu)的固有頻率逐漸減少，結(jié)構(gòu)振動的振幅即最大位移也逐漸減小，且X向的一階最大位移在底層高度4.5-5.5m時變化幅度較大。以上分析說明框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的底層高度對結(jié)構(gòu)的動力特性有很大影響，單從固有頻率角度考慮，應(yīng)該減少底層高度，單從振動幅值角度考慮，應(yīng)增大底層高度，所以對于高層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)底層高度的選取，應(yīng)大于樓層高度的1．5倍，小于樓層高度的2倍。
2.2.4 有無中間剪力墻的模態(tài)分析
從有無中間剪力墻情況下的結(jié)構(gòu)的固有頻率和幅值比較分析，對于沿Y方向結(jié)構(gòu)中間位置是否布置剪力墻的情況，
以X方向為第一主振型的一階固有頻率，無中間剪力墻較有中間剪力墻稍大些，而以Y方向為第二主振型的二階固有頻率，在無中間剪力墻情況下較有中間剪力墻情況小些，這說明沿Y方向中間位置布置的剪力墻對于以Y方向為主振型的結(jié)構(gòu)的固有頻率影響較大。而以X、Y方向各自為主振型的X向一階最大位移和Y方向一階最大位移，在無中間剪力墻情況下較有中間剪力墻情況下都有所增大，這說明有中間剪力墻的結(jié)構(gòu)，無論在Y方向還是x方向上，剛度都有所增加。從以上分析可知，整體考慮，對于框架．剪力墻結(jié)構(gòu)，應(yīng)適當在中間位置布置剪力墻以調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)的整體剛度，從而提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。
3 結(jié)語
為了對框架．剪力墻結(jié)構(gòu)動力特性初步了解以及為后邊計算阻尼提供參數(shù)，首先對初始計算模型進行了模態(tài)分析。考慮到結(jié)構(gòu)動力性能的影響因素，并針對不同影響因素所建立的計算模型進行模態(tài)分析。由初始計算模型的模態(tài)計算結(jié)果分析可知，本文所設(shè)計的框架-剪力墻結(jié)構(gòu)平面布置對稱、規(guī)則合理；立面上質(zhì)量、剛度分布較均勻，結(jié)構(gòu)抗扭能力滿足要求，具有良好的整體性能，適合于計算研究；結(jié)構(gòu)前面幾個低階振型的運動在總運動中占主導地位。
參考文獻：
[1] 袁兵, 黃炎生, 任立飛, 等. 框架-剪力墻基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震扭轉(zhuǎn)反應(yīng)[J]. 華南理工大學學報（自然科學版）, 2006,34(7).
[2] 薛海洪, 席丁民, 張曉丹. 剪力墻對框架-剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能影響分析[J]. 四川建筑科學研究, 2010,36(3).
