半刚性连接钢框架的时程分析

 

马翠玲1，孙颂旦2，华建兵1，孙爱琴1

 

 

 

 (1. 合肥学院，合肥 230022；2. 宣城柏庄置业有限公司 ，宣城 242000)

 

 

 

[摘要] 为了探讨不同梁柱节点钢框架抗震性能的差别，本文结合工程实际设计了10个系列，共50个有限元试件，通过ANSYS分析软件，对框架进行时间历程分析，来探讨框架层数、框架跨数，尤其是梁柱连接节点的转动刚度等参数对钢框架抗震性能的影响。分析表明：半刚性钢框架结构在地震荷载作用下具有良好的抗震性能。 

 

 

 

[关键词]半刚性钢框架，地震荷载，有限元，时程分析

 

 

 

Time-history Analysis of Semi-rigid Steel Frames

 

 

 

MA Cuiling1,SUN Songdan2,HUA Jianbing1,SUN Aiqin1

 

 

 

(1. Hefei Univercity, Hefei 230022;   2,XuanchengBaizhuang Company Limited , Xuancheng 242000)

 

 

 

Abstract：In order to research of the seismic performance of semi-rigid steel frames, the paper design 10 series (altogether 50) of finite element analytic models. Furthermore, the time-history analysis is discussed in this paper to investigate the relations between frame parameters of semi-rigid steel frames, these parameters include the frame’s floor number, the frame’s span number and the frame’s damp, especially the rotation stiffness of beam-to-column connections.

 

 

 

Comparing with the steel frame structure, semi-rigid steel frame structure under seismic loading has a good seismic performance.

 

 

 

Keyword:  semi-rigid steel frame, earthquake load, finite element, time-history analysis

 

 

 

1.引言

 

 

 

钢框架结构具有强度高，塑性、韧性好，重量轻，特别适合动力荷载下工作的特点，在实际工程中钢框架得到越来越广泛的应用，其中梁柱节点是钢框架中的关键连接部分。大量的试验证明，在荷载作用下，钢框架的实际梁柱连接性能总是介于理想的刚接和铰接之间，即半刚性的连接。半刚性节点初始转动刚度[1]一般在之间，具有较好的延性及耗能能力[2，3]，可以大大降低震害[4]。但是由于半刚性连接的复杂性和多样性，相应的理论和试验研究尚应进行进一步发展，本文的目的就是对半刚接钢框架在地震作用下的力学性能，予以探讨。

 

 

 

2.时程分析

 

时程分析法是随着强震记录的增多和计算技术的广泛应用而发展起来的，是公认的精细积分方法，是用来确定承受任意随时间变化荷载的结构的动力响应的一种方法。可以用时间历程分析确定结构在静力荷载、瞬态荷载和简谐荷载的随意组合作用下的随时间变化的位移、应力、应变以及荷载的结构响应。它可以将实际地震的加速度时程记录输入，对结构计算模型进行时程分析，可以直接得到地震过程中结构节点各时刻的位移、速度和加速度，从而可以计算各时刻结构的内力，选择最不利值进行结构设计。

 

2.1例证(半刚接悬臂梁分析验证)

 

 

 

为了验证使用ANSYS软件在组合结构有限元建模过程中的正确性以及使用建立的模型进行分析计算的可靠性，通过对以下算例的计算，以验证使用ANSYS软件建模和计算分析的准确程度。

 

 

 

如图1所示半刚接悬臂梁承受集中荷载，P1=20kN，P2=10kN。梁端采用半刚接，梁的长度L=2000mm，梁的截面采用H20015068。计算悬臂梁的端部竖向位移。采用ANSYS计算与线性简化计算两种计算方法，其结果见表1。观察表中计算结果，两种方法的计算结果非常接近。ANSYS分析中单元模型采用Beam189、COMBIN14单元。

 

 

 

 

 

 

图1半刚接悬臂梁尺寸图

 

 

 

    Fig.1 Semi-rigid cantilever beam size plan.

 

 

 

表1 半刚接悬臂梁ANSYS与线性简化计算结果对比表     单位:mm

 

 

 

Table 1 Comparative table between ANSYS and calculated results with the linear simplified   Unit:mm

 

 

 

刚度(kM/rad)		106	105	104	103
ANSYS分析值	10.714	10.774	11.523	18.717	90.661
理论计算值	10.270	9.680	11.253	18.351	89.152
误差(%)	4	3.3	2.4	2.0	1.7

2.2有限元框架的详细参数

 

 

 

有限元框架结合工程实际建立，框架梁柱均为H型截面，材料均为Q235。框架试件截面尺寸详见表2，表中所有框架试件的梁柱截面尺寸由3D3S软件设计，设计依据如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架试件截面尺寸图

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

注：A为截面尺寸

 

 

⑴ 框架层数

 

 

本文中有限元框架试件的层数共设计了4种情况：3层、6层、9层、12层，详见表2。各框架的层高均为h=3.6m。

 

 

 

⑵ 框架跨数

 

 

    有限元框架试件的跨数共有3种情况：单跨、双跨和三跨，详见表2，各框架每跨跨度均为l=7.2m。

 

 

 

⑶ 梁柱节点转动刚度

 

 

有限元框架试件的节点转动刚度共取了5种情况：、1×106、1×105、1×104、1×103，其中刚度为1×103kN·M/rad时，已经接近于铰接。

 

 

 

2.3有限元单元的选取及建模

 

 

 

本文中结合实际情况选用Beam189单元和COMBIN14单元。梁、柱均采用工字钢，钢材的弹性模量ES=2.06e11N/m2，泊松比λ=0.304,密度D=7850kg/m3。

 

 

 

半刚接框架在梁柱节点处先加入弹簧单元COMBIN14，然后进行耦合以此来模拟半刚性节点。位移边界方面：在ANSYS分析中需要给框架施加侧向（Z方向）约束，保证框架在侧向(Z方向)位移为零。力边界方面：在时间历程分析中，通过施加X方向的地震波然后分析其动力响应。通过模态分析求得不同层数(跨数、节点刚度)钢框架的频率和振型，然后通过在同一地震波下不同节点刚度的框架的时间历程分析从而得出其地震响应。

 

 

 

2.4地震波的选取

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

2.4地震波的选取

 

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

时程分析法是随着强震记录的增多和计算技术的广泛应用而发展起来的，是公认的精细积分方法，是用来确定承受任意随时间变化荷载的结构的动力响应的一种方法。可以用时间历程分析确定结构在静力荷载、瞬态荷载和简谐荷载的随意组合作用下的随时间变化的位移、应力、应变以及荷载的结构响应。它可以将实际地震的加速度时程记录输入，对结构计算模型进行时程分析，可以直接得到地震过程中结构节点各时刻的位移、速度和加速度，从而可以计算各时刻结构的内力，选择最不利值进行结构设计。

 

 

2.1例证(半刚接悬臂梁分析验证)

 

 

 

为了验证使用ANSYS软件在组合结构有限元建模过程中的正确性以及使用建立的模型进行分析计算的可靠性，通过对以下算例的计算，以验证使用ANSYS软件建模和计算分析的准确程度。

 

 

 

如图1所示半刚接悬臂梁承受集中荷载，P1=20kN，P2=10kN。梁端采用半刚接，梁的长度L=2000mm，梁的截面采用H20015068。计算悬臂梁的端部竖向位移。采用ANSYS计算与线性简化计算两种计算方法，其结果见表1。观察表中计算结果，两种方法的计算结果非常接近。ANSYS分析中单元模型采用Beam189、COMBIN14单元。

 

 

 

 

 

 

图1半刚接悬臂梁尺寸图

 

 

 

    Fig.1 Semi-rigid cantilever beam size plan.

 

 

 

表1 半刚接悬臂梁ANSYS与线性简化计算结果对比表     单位:mm

 

 

 

Table 1 Comparative table between ANSYS and calculated results with the linear simplified   Unit:mm

 

 

 

框架跨数	框架层数	框架柱	框架梁
截面规格	A(mm2)	截面规格	A(mm2)
单       跨	3	400×300×8×12	10208	450×250×8×10	8440
6	500×400×12×16	18416	450×250×10×14	11220
双                   跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840
9	600×500×16×20	28960	450×250×10×14	11220
12	700×550×20×24	39440	450×250×12×16	13016
三       跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840

刚度(kM/rad)		106	105	104	103
ANSYS分析值	10.714	10.774	11.523	18.717	90.661
理论计算值	10.270	9.680	11.253	18.351	89.152
误差(%)	4	3.3	2.4	2.0	1.7

2.2有限元框架的详细参数

 

 

 

有限元框架结合工程实际建立，框架梁柱均为H型截面，材料均为Q235。框架试件截面尺寸详见表2，表中所有框架试件的梁柱截面尺寸由3D3S软件设计，设计依据如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架试件截面尺寸图

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

注：A为截面尺寸

 

 

⑴ 框架层数

 

 

本文中有限元框架试件的层数共设计了4种情况：3层、6层、9层、12层，详见表2。各框架的层高均为h=3.6m。

 

 

 

⑵ 框架跨数

 

 

    有限元框架试件的跨数共有3种情况：单跨、双跨和三跨，详见表2，各框架每跨跨度均为l=7.2m。

 

 

 

⑶ 梁柱节点转动刚度

 

 

有限元框架试件的节点转动刚度共取了5种情况：、1×106、1×105、1×104、1×103，其中刚度为1×103kN·M/rad时，已经接近于铰接。

 

 

 

2.3有限元单元的选取及建模

 

 

 

本文中结合实际情况选用Beam189单元和COMBIN14单元。梁、柱均采用工字钢，钢材的弹性模量ES=2.06e11N/m2，泊松比λ=0.304,密度D=7850kg/m3。

 

 

 

半刚接框架在梁柱节点处先加入弹簧单元COMBIN14，然后进行耦合以此来模拟半刚性节点。位移边界方面：在ANSYS分析中需要给框架施加侧向（Z方向）约束，保证框架在侧向(Z方向)位移为零。力边界方面：在时间历程分析中，通过施加X方向的地震波然后分析其动力响应。通过模态分析求得不同层数(跨数、节点刚度)钢框架的频率和振型，然后通过在同一地震波下不同节点刚度的框架的时间历程分析从而得出其地震响应。

 

 

 

2.4地震波的选取

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

2.4地震波的选取

 

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

2.时程分析

 

 

时程分析法是随着强震记录的增多和计算技术的广泛应用而发展起来的，是公认的精细积分方法，是用来确定承受任意随时间变化荷载的结构的动力响应的一种方法。可以用时间历程分析确定结构在静力荷载、瞬态荷载和简谐荷载的随意组合作用下的随时间变化的位移、应力、应变以及荷载的结构响应。它可以将实际地震的加速度时程记录输入，对结构计算模型进行时程分析，可以直接得到地震过程中结构节点各时刻的位移、速度和加速度，从而可以计算各时刻结构的内力，选择最不利值进行结构设计。

 

2.1例证(半刚接悬臂梁分析验证)

 

 

 

为了验证使用ANSYS软件在组合结构有限元建模过程中的正确性以及使用建立的模型进行分析计算的可靠性，通过对以下算例的计算，以验证使用ANSYS软件建模和计算分析的准确程度。

 

 

 

如图1所示半刚接悬臂梁承受集中荷载，P1=20kN，P2=10kN。梁端采用半刚接，梁的长度L=2000mm，梁的截面采用H20015068。计算悬臂梁的端部竖向位移。采用ANSYS计算与线性简化计算两种计算方法，其结果见表1。观察表中计算结果，两种方法的计算结果非常接近。ANSYS分析中单元模型采用Beam189、COMBIN14单元。

 

 

 

 

 

 

图1半刚接悬臂梁尺寸图

 

 

 

    Fig.1 Semi-rigid cantilever beam size plan.

 

 

 

表1 半刚接悬臂梁ANSYS与线性简化计算结果对比表     单位:mm

 

 

 

Table 1 Comparative table between ANSYS and calculated results with the linear simplified   Unit:mm

 

 

 

框架跨数	框架层数	框架柱	框架梁
截面规格	A(mm2)	截面规格	A(mm2)
单       跨	3	400×300×8×12	10208	450×250×8×10	8440
6	500×400×12×16	18416	450×250×10×14	11220
双                   跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840
9	600×500×16×20	28960	450×250×10×14	11220
12	700×550×20×24	39440	450×250×12×16	13016
三       跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840

刚度(kM/rad)		106	105	104	103
ANSYS分析值	10.714	10.774	11.523	18.717	90.661
理论计算值	10.270	9.680	11.253	18.351	89.152
误差(%)	4	3.3	2.4	2.0	1.7

2.2有限元框架的详细参数

 

 

 

有限元框架结合工程实际建立，框架梁柱均为H型截面，材料均为Q235。框架试件截面尺寸详见表2，表中所有框架试件的梁柱截面尺寸由3D3S软件设计，设计依据如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架试件截面尺寸图

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

注：A为截面尺寸

 

 

⑴ 框架层数

 

 

本文中有限元框架试件的层数共设计了4种情况：3层、6层、9层、12层，详见表2。各框架的层高均为h=3.6m。

 

 

 

⑵ 框架跨数

 

 

    有限元框架试件的跨数共有3种情况：单跨、双跨和三跨，详见表2，各框架每跨跨度均为l=7.2m。

 

 

 

⑶ 梁柱节点转动刚度

 

 

有限元框架试件的节点转动刚度共取了5种情况：、1×106、1×105、1×104、1×103，其中刚度为1×103kN·M/rad时，已经接近于铰接。

 

 

 

2.3有限元单元的选取及建模

 

 

 

本文中结合实际情况选用Beam189单元和COMBIN14单元。梁、柱均采用工字钢，钢材的弹性模量ES=2.06e11N/m2，泊松比λ=0.304,密度D=7850kg/m3。

 

 

 

半刚接框架在梁柱节点处先加入弹簧单元COMBIN14，然后进行耦合以此来模拟半刚性节点。位移边界方面：在ANSYS分析中需要给框架施加侧向（Z方向）约束，保证框架在侧向(Z方向)位移为零。力边界方面：在时间历程分析中，通过施加X方向的地震波然后分析其动力响应。通过模态分析求得不同层数(跨数、节点刚度)钢框架的频率和振型，然后通过在同一地震波下不同节点刚度的框架的时间历程分析从而得出其地震响应。

 

 

 

2.4地震波的选取

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

2.4地震波的选取

 

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

时程分析法是随着强震记录的增多和计算技术的广泛应用而发展起来的，是公认的精细积分方法，是用来确定承受任意随时间变化荷载的结构的动力响应的一种方法。可以用时间历程分析确定结构在静力荷载、瞬态荷载和简谐荷载的随意组合作用下的随时间变化的位移、应力、应变以及荷载的结构响应。它可以将实际地震的加速度时程记录输入，对结构计算模型进行时程分析，可以直接得到地震过程中结构节点各时刻的位移、速度和加速度，从而可以计算各时刻结构的内力，选择最不利值进行结构设计。

 

 

2.1例证(半刚接悬臂梁分析验证)

 

 

 

为了验证使用ANSYS软件在组合结构有限元建模过程中的正确性以及使用建立的模型进行分析计算的可靠性，通过对以下算例的计算，以验证使用ANSYS软件建模和计算分析的准确程度。

 

 

 

如图1所示半刚接悬臂梁承受集中荷载，P1=20kN，P2=10kN。梁端采用半刚接，梁的长度L=2000mm，梁的截面采用H20015068。计算悬臂梁的端部竖向位移。采用ANSYS计算与线性简化计算两种计算方法，其结果见表1。观察表中计算结果，两种方法的计算结果非常接近。ANSYS分析中单元模型采用Beam189、COMBIN14单元。

 

 

 

 

 

 

图1半刚接悬臂梁尺寸图

 

 

 

    Fig.1 Semi-rigid cantilever beam size plan.

 

 

 

表1 半刚接悬臂梁ANSYS与线性简化计算结果对比表     单位:mm

 

 

 

Table 1 Comparative table between ANSYS and calculated results with the linear simplified   Unit:mm

 

 

 

框架跨数	框架层数	框架柱	框架梁
截面规格	A(mm2)	截面规格	A(mm2)
单       跨	3	400×300×8×12	10208	450×250×8×10	8440
6	500×400×12×16	18416	450×250×10×14	11220
双                   跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840
9	600×500×16×20	28960	450×250×10×14	11220
12	700×550×20×24	39440	450×250×12×16	13016
三       跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840

刚度(kM/rad)		106	105	104	103
ANSYS分析值	10.714	10.774	11.523	18.717	90.661
理论计算值	10.270	9.680	11.253	18.351	89.152
误差(%)	4	3.3	2.4	2.0	1.7

2.2有限元框架的详细参数

 

 

 

有限元框架结合工程实际建立，框架梁柱均为H型截面，材料均为Q235。框架试件截面尺寸详见表2，表中所有框架试件的梁柱截面尺寸由3D3S软件设计，设计依据如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架试件截面尺寸图

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

注：A为截面尺寸

 

 

⑴ 框架层数

 

 

本文中有限元框架试件的层数共设计了4种情况：3层、6层、9层、12层，详见表2。各框架的层高均为h=3.6m。

 

 

 

⑵ 框架跨数

 

 

    有限元框架试件的跨数共有3种情况：单跨、双跨和三跨，详见表2，各框架每跨跨度均为l=7.2m。

 

 

 

⑶ 梁柱节点转动刚度

 

 

有限元框架试件的节点转动刚度共取了5种情况：、1×106、1×105、1×104、1×103，其中刚度为1×103kN·M/rad时，已经接近于铰接。

 

 

 

2.3有限元单元的选取及建模

 

 

 

本文中结合实际情况选用Beam189单元和COMBIN14单元。梁、柱均采用工字钢，钢材的弹性模量ES=2.06e11N/m2，泊松比λ=0.304,密度D=7850kg/m3。

 

 

 

半刚接框架在梁柱节点处先加入弹簧单元COMBIN14，然后进行耦合以此来模拟半刚性节点。位移边界方面：在ANSYS分析中需要给框架施加侧向（Z方向）约束，保证框架在侧向(Z方向)位移为零。力边界方面：在时间历程分析中，通过施加X方向的地震波然后分析其动力响应。通过模态分析求得不同层数(跨数、节点刚度)钢框架的频率和振型，然后通过在同一地震波下不同节点刚度的框架的时间历程分析从而得出其地震响应。

 

 

 

2.4地震波的选取

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

2.4地震波的选取

 

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

半刚性连接钢框架的时程分析

 

 

马翠玲1，孙颂旦2，华建兵1，孙爱琴1

 

 

 

 (1. 合肥学院，合肥 230022；2. 宣城柏庄置业有限公司 ，宣城 242000)

 

 

 

[摘要] 为了探讨不同梁柱节点钢框架抗震性能的差别，本文结合工程实际设计了10个系列，共50个有限元试件，通过ANSYS分析软件，对框架进行时间历程分析，来探讨框架层数、框架跨数，尤其是梁柱连接节点的转动刚度等参数对钢框架抗震性能的影响。分析表明：半刚性钢框架结构在地震荷载作用下具有良好的抗震性能。 

 

 

 

[关键词]半刚性钢框架，地震荷载，有限元，时程分析

 

 

 

Time-history Analysis of Semi-rigid Steel Frames

 

 

 

MA Cuiling1,SUN Songdan2,HUA Jianbing1,SUN Aiqin1

 

 

 

(1. Hefei Univercity, Hefei 230022;   2,XuanchengBaizhuang Company Limited , Xuancheng 242000)

 

 

 

Abstract：In order to research of the seismic performance of semi-rigid steel frames, the paper design 10 series (altogether 50) of finite element analytic models. Furthermore, the time-history analysis is discussed in this paper to investigate the relations between frame parameters of semi-rigid steel frames, these parameters include the frame’s floor number, the frame’s span number and the frame’s damp, especially the rotation stiffness of beam-to-column connections.

 

 

 

Comparing with the steel frame structure, semi-rigid steel frame structure under seismic loading has a good seismic performance.

 

 

 

Keyword:  semi-rigid steel frame, earthquake load, finite element, time-history analysis

 

 

 

1.引言

 

 

 

钢框架结构具有强度高，塑性、韧性好，重量轻，特别适合动力荷载下工作的特点，在实际工程中钢框架得到越来越广泛的应用，其中梁柱节点是钢框架中的关键连接部分。大量的试验证明，在荷载作用下，钢框架的实际梁柱连接性能总是介于理想的刚接和铰接之间，即半刚性的连接。半刚性节点初始转动刚度[1]一般在之间，具有较好的延性及耗能能力[2，3]，可以大大降低震害[4]。但是由于半刚性连接的复杂性和多样性，相应的理论和试验研究尚应进行进一步发展，本文的目的就是对半刚接钢框架在地震作用下的力学性能，予以探讨。

 

 

 

2.时程分析

 

时程分析法是随着强震记录的增多和计算技术的广泛应用而发展起来的，是公认的精细积分方法，是用来确定承受任意随时间变化荷载的结构的动力响应的一种方法。可以用时间历程分析确定结构在静力荷载、瞬态荷载和简谐荷载的随意组合作用下的随时间变化的位移、应力、应变以及荷载的结构响应。它可以将实际地震的加速度时程记录输入，对结构计算模型进行时程分析，可以直接得到地震过程中结构节点各时刻的位移、速度和加速度，从而可以计算各时刻结构的内力，选择最不利值进行结构设计。

 

2.1例证(半刚接悬臂梁分析验证)

 

 

 

为了验证使用ANSYS软件在组合结构有限元建模过程中的正确性以及使用建立的模型进行分析计算的可靠性，通过对以下算例的计算，以验证使用ANSYS软件建模和计算分析的准确程度。

 

 

 

如图1所示半刚接悬臂梁承受集中荷载，P1=20kN，P2=10kN。梁端采用半刚接，梁的长度L=2000mm，梁的截面采用H20015068。计算悬臂梁的端部竖向位移。采用ANSYS计算与线性简化计算两种计算方法，其结果见表1。观察表中计算结果，两种方法的计算结果非常接近。ANSYS分析中单元模型采用Beam189、COMBIN14单元。

 

 

 

 

 

 

图1半刚接悬臂梁尺寸图

 

 

 

    Fig.1 Semi-rigid cantilever beam size plan.

 

 

 

表1 半刚接悬臂梁ANSYS与线性简化计算结果对比表     单位:mm

 

 

 

Table 1 Comparative table between ANSYS and calculated results with the linear simplified   Unit:mm

 

 

 

框架跨数	框架层数	框架柱	框架梁
截面规格	A(mm2)	截面规格	A(mm2)
单       跨	3	400×300×8×12	10208	450×250×8×10	8440
6	500×400×12×16	18416	450×250×10×14	11220
双                   跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840
9	600×500×16×20	28960	450×250×10×14	11220
12	700×550×20×24	39440	450×250×12×16	13016
三       跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840

刚度(kM/rad)		106	105	104	103
ANSYS分析值	10.714	10.774	11.523	18.717	90.661
理论计算值	10.270	9.680	11.253	18.351	89.152
误差(%)	4	3.3	2.4	2.0	1.7

2.2有限元框架的详细参数

 

 

 

有限元框架结合工程实际建立，框架梁柱均为H型截面，材料均为Q235。框架试件截面尺寸详见表2，表中所有框架试件的梁柱截面尺寸由3D3S软件设计，设计依据如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架试件截面尺寸图

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

注：A为截面尺寸

 

 

⑴ 框架层数

 

 

本文中有限元框架试件的层数共设计了4种情况：3层、6层、9层、12层，详见表2。各框架的层高均为h=3.6m。

 

 

 

⑵ 框架跨数

 

 

    有限元框架试件的跨数共有3种情况：单跨、双跨和三跨，详见表2，各框架每跨跨度均为l=7.2m。

 

 

 

⑶ 梁柱节点转动刚度

 

 

有限元框架试件的节点转动刚度共取了5种情况：、1×106、1×105、1×104、1×103，其中刚度为1×103kN·M/rad时，已经接近于铰接。

 

 

 

2.3有限元单元的选取及建模

 

 

 

本文中结合实际情况选用Beam189单元和COMBIN14单元。梁、柱均采用工字钢，钢材的弹性模量ES=2.06e11N/m2，泊松比λ=0.304,密度D=7850kg/m3。

 

 

 

半刚接框架在梁柱节点处先加入弹簧单元COMBIN14，然后进行耦合以此来模拟半刚性节点。位移边界方面：在ANSYS分析中需要给框架施加侧向（Z方向）约束，保证框架在侧向(Z方向)位移为零。力边界方面：在时间历程分析中，通过施加X方向的地震波然后分析其动力响应。通过模态分析求得不同层数(跨数、节点刚度)钢框架的频率和振型，然后通过在同一地震波下不同节点刚度的框架的时间历程分析从而得出其地震响应。

 

 

 

2.4地震波的选取

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

2.4地震波的选取

 

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

时程分析法是随着强震记录的增多和计算技术的广泛应用而发展起来的，是公认的精细积分方法，是用来确定承受任意随时间变化荷载的结构的动力响应的一种方法。可以用时间历程分析确定结构在静力荷载、瞬态荷载和简谐荷载的随意组合作用下的随时间变化的位移、应力、应变以及荷载的结构响应。它可以将实际地震的加速度时程记录输入，对结构计算模型进行时程分析，可以直接得到地震过程中结构节点各时刻的位移、速度和加速度，从而可以计算各时刻结构的内力，选择最不利值进行结构设计。

 

 

2.1例证(半刚接悬臂梁分析验证)

 

 

 

为了验证使用ANSYS软件在组合结构有限元建模过程中的正确性以及使用建立的模型进行分析计算的可靠性，通过对以下算例的计算，以验证使用ANSYS软件建模和计算分析的准确程度。

 

 

 

如图1所示半刚接悬臂梁承受集中荷载，P1=20kN，P2=10kN。梁端采用半刚接，梁的长度L=2000mm，梁的截面采用H20015068。计算悬臂梁的端部竖向位移。采用ANSYS计算与线性简化计算两种计算方法，其结果见表1。观察表中计算结果，两种方法的计算结果非常接近。ANSYS分析中单元模型采用Beam189、COMBIN14单元。

 

 

 

 

 

 

图1半刚接悬臂梁尺寸图

 

 

 

    Fig.1 Semi-rigid cantilever beam size plan.

 

 

 

表1 半刚接悬臂梁ANSYS与线性简化计算结果对比表     单位:mm

 

 

 

Table 1 Comparative table between ANSYS and calculated results with the linear simplified   Unit:mm

 

 

 

框架跨数	框架层数	框架柱	框架梁
截面规格	A(mm2)	截面规格	A(mm2)
单       跨	3	400×300×8×12	10208	450×250×8×10	8440
6	500×400×12×16	18416	450×250×10×14	11220
双                   跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840
9	600×500×16×20	28960	450×250×10×14	11220
12	700×550×20×24	39440	450×250×12×16	13016
三       跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840

刚度(kM/rad)		106	105	104	103
ANSYS分析值	10.714	10.774	11.523	18.717	90.661
理论计算值	10.270	9.680	11.253	18.351	89.152
误差(%)	4	3.3	2.4	2.0	1.7

2.2有限元框架的详细参数

 

 

 

有限元框架结合工程实际建立，框架梁柱均为H型截面，材料均为Q235。框架试件截面尺寸详见表2，表中所有框架试件的梁柱截面尺寸由3D3S软件设计，设计依据如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架试件截面尺寸图

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

注：A为截面尺寸

 

 

⑴ 框架层数

 

 

本文中有限元框架试件的层数共设计了4种情况：3层、6层、9层、12层，详见表2。各框架的层高均为h=3.6m。

 

 

 

⑵ 框架跨数

 

 

    有限元框架试件的跨数共有3种情况：单跨、双跨和三跨，详见表2，各框架每跨跨度均为l=7.2m。

 

 

 

⑶ 梁柱节点转动刚度

 

 

有限元框架试件的节点转动刚度共取了5种情况：、1×106、1×105、1×104、1×103，其中刚度为1×103kN·M/rad时，已经接近于铰接。

 

 

 

2.3有限元单元的选取及建模

 

 

 

本文中结合实际情况选用Beam189单元和COMBIN14单元。梁、柱均采用工字钢，钢材的弹性模量ES=2.06e11N/m2，泊松比λ=0.304,密度D=7850kg/m3。

 

 

 

半刚接框架在梁柱节点处先加入弹簧单元COMBIN14，然后进行耦合以此来模拟半刚性节点。位移边界方面：在ANSYS分析中需要给框架施加侧向（Z方向）约束，保证框架在侧向(Z方向)位移为零。力边界方面：在时间历程分析中，通过施加X方向的地震波然后分析其动力响应。通过模态分析求得不同层数(跨数、节点刚度)钢框架的频率和振型，然后通过在同一地震波下不同节点刚度的框架的时间历程分析从而得出其地震响应。

 

 

 

2.4地震波的选取

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

2.4地震波的选取

 

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

2.时程分析

 

 

时程分析法是随着强震记录的增多和计算技术的广泛应用而发展起来的，是公认的精细积分方法，是用来确定承受任意随时间变化荷载的结构的动力响应的一种方法。可以用时间历程分析确定结构在静力荷载、瞬态荷载和简谐荷载的随意组合作用下的随时间变化的位移、应力、应变以及荷载的结构响应。它可以将实际地震的加速度时程记录输入，对结构计算模型进行时程分析，可以直接得到地震过程中结构节点各时刻的位移、速度和加速度，从而可以计算各时刻结构的内力，选择最不利值进行结构设计。

 

2.1例证(半刚接悬臂梁分析验证)

 

 

 

为了验证使用ANSYS软件在组合结构有限元建模过程中的正确性以及使用建立的模型进行分析计算的可靠性，通过对以下算例的计算，以验证使用ANSYS软件建模和计算分析的准确程度。

 

 

 

如图1所示半刚接悬臂梁承受集中荷载，P1=20kN，P2=10kN。梁端采用半刚接，梁的长度L=2000mm，梁的截面采用H20015068。计算悬臂梁的端部竖向位移。采用ANSYS计算与线性简化计算两种计算方法，其结果见表1。观察表中计算结果，两种方法的计算结果非常接近。ANSYS分析中单元模型采用Beam189、COMBIN14单元。

 

 

 

 

 

 

图1半刚接悬臂梁尺寸图

 

 

 

    Fig.1 Semi-rigid cantilever beam size plan.

 

 

 

表1 半刚接悬臂梁ANSYS与线性简化计算结果对比表     单位:mm

 

 

 

Table 1 Comparative table between ANSYS and calculated results with the linear simplified   Unit:mm

 

 

 

框架跨数	框架层数	框架柱	框架梁
截面规格	A(mm2)	截面规格	A(mm2)
单       跨	3	400×300×8×12	10208	450×250×8×10	8440
6	500×400×12×16	18416	450×250×10×14	11220
双                   跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840
9	600×500×16×20	28960	450×250×10×14	11220
12	700×550×20×24	39440	450×250×12×16	13016
三       跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840

刚度(kM/rad)		106	105	104	103
ANSYS分析值	10.714	10.774	11.523	18.717	90.661
理论计算值	10.270	9.680	11.253	18.351	89.152
误差(%)	4	3.3	2.4	2.0	1.7

2.2有限元框架的详细参数

 

 

 

有限元框架结合工程实际建立，框架梁柱均为H型截面，材料均为Q235。框架试件截面尺寸详见表2，表中所有框架试件的梁柱截面尺寸由3D3S软件设计，设计依据如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架试件截面尺寸图

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

注：A为截面尺寸

 

 

⑴ 框架层数

 

 

本文中有限元框架试件的层数共设计了4种情况：3层、6层、9层、12层，详见表2。各框架的层高均为h=3.6m。

 

 

 

⑵ 框架跨数

 

 

    有限元框架试件的跨数共有3种情况：单跨、双跨和三跨，详见表2，各框架每跨跨度均为l=7.2m。

 

 

 

⑶ 梁柱节点转动刚度

 

 

有限元框架试件的节点转动刚度共取了5种情况：、1×106、1×105、1×104、1×103，其中刚度为1×103kN·M/rad时，已经接近于铰接。

 

 

 

2.3有限元单元的选取及建模

 

 

 

本文中结合实际情况选用Beam189单元和COMBIN14单元。梁、柱均采用工字钢，钢材的弹性模量ES=2.06e11N/m2，泊松比λ=0.304,密度D=7850kg/m3。

 

 

 

半刚接框架在梁柱节点处先加入弹簧单元COMBIN14，然后进行耦合以此来模拟半刚性节点。位移边界方面：在ANSYS分析中需要给框架施加侧向（Z方向）约束，保证框架在侧向(Z方向)位移为零。力边界方面：在时间历程分析中，通过施加X方向的地震波然后分析其动力响应。通过模态分析求得不同层数(跨数、节点刚度)钢框架的频率和振型，然后通过在同一地震波下不同节点刚度的框架的时间历程分析从而得出其地震响应。

 

 

 

2.4地震波的选取

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

2.4地震波的选取

 

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

时程分析法是随着强震记录的增多和计算技术的广泛应用而发展起来的，是公认的精细积分方法，是用来确定承受任意随时间变化荷载的结构的动力响应的一种方法。可以用时间历程分析确定结构在静力荷载、瞬态荷载和简谐荷载的随意组合作用下的随时间变化的位移、应力、应变以及荷载的结构响应。它可以将实际地震的加速度时程记录输入，对结构计算模型进行时程分析，可以直接得到地震过程中结构节点各时刻的位移、速度和加速度，从而可以计算各时刻结构的内力，选择最不利值进行结构设计。

 

 

2.1例证(半刚接悬臂梁分析验证)

 

 

 

为了验证使用ANSYS软件在组合结构有限元建模过程中的正确性以及使用建立的模型进行分析计算的可靠性，通过对以下算例的计算，以验证使用ANSYS软件建模和计算分析的准确程度。

 

 

 

如图1所示半刚接悬臂梁承受集中荷载，P1=20kN，P2=10kN。梁端采用半刚接，梁的长度L=2000mm，梁的截面采用H20015068。计算悬臂梁的端部竖向位移。采用ANSYS计算与线性简化计算两种计算方法，其结果见表1。观察表中计算结果，两种方法的计算结果非常接近。ANSYS分析中单元模型采用Beam189、COMBIN14单元。

 

 

 

 

 

 

图1半刚接悬臂梁尺寸图

 

 

 

    Fig.1 Semi-rigid cantilever beam size plan.

 

 

 

表1 半刚接悬臂梁ANSYS与线性简化计算结果对比表     单位:mm

 

 

 

Table 1 Comparative table between ANSYS and calculated results with the linear simplified   Unit:mm

 

 

 

框架跨数	框架层数	框架柱	框架梁
截面规格	A(mm2)	截面规格	A(mm2)
单       跨	3	400×300×8×12	10208	450×250×8×10	8440
6	500×400×12×16	18416	450×250×10×14	11220
双                   跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840
9	600×500×16×20	28960	450×250×10×14	11220
12	700×550×20×24	39440	450×250×12×16	13016
三       跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840

刚度(kM/rad)		106	105	104	103
ANSYS分析值	10.714	10.774	11.523	18.717	90.661
理论计算值	10.270	9.680	11.253	18.351	89.152
误差(%)	4	3.3	2.4	2.0	1.7

2.2有限元框架的详细参数

 

 

 

有限元框架结合工程实际建立，框架梁柱均为H型截面，材料均为Q235。框架试件截面尺寸详见表2，表中所有框架试件的梁柱截面尺寸由3D3S软件设计，设计依据如下：

 

 

 

 

 

 

表2 框架试件截面尺寸图

 

 

 

Table 2  The section size for frame sample

 

 

 

注：A为截面尺寸

 

 

⑴ 框架层数

 

 

本文中有限元框架试件的层数共设计了4种情况：3层、6层、9层、12层，详见表2。各框架的层高均为h=3.6m。

 

 

 

⑵ 框架跨数

 

 

    有限元框架试件的跨数共有3种情况：单跨、双跨和三跨，详见表2，各框架每跨跨度均为l=7.2m。

 

 

 

⑶ 梁柱节点转动刚度

 

 

有限元框架试件的节点转动刚度共取了5种情况：、1×106、1×105、1×104、1×103，其中刚度为1×103kN·M/rad时，已经接近于铰接。

 

 

 

2.3有限元单元的选取及建模

 

 

 

本文中结合实际情况选用Beam189单元和COMBIN14单元。梁、柱均采用工字钢，钢材的弹性模量ES=2.06e11N/m2，泊松比λ=0.304,密度D=7850kg/m3。

 

 

 

半刚接框架在梁柱节点处先加入弹簧单元COMBIN14，然后进行耦合以此来模拟半刚性节点。位移边界方面：在ANSYS分析中需要给框架施加侧向（Z方向）约束，保证框架在侧向(Z方向)位移为零。力边界方面：在时间历程分析中，通过施加X方向的地震波然后分析其动力响应。通过模态分析求得不同层数(跨数、节点刚度)钢框架的频率和振型，然后通过在同一地震波下不同节点刚度的框架的时间历程分析从而得出其地震响应。

 

 

 

2.4地震波的选取

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

2.4地震波的选取

 

 

建筑物的地震响应不仅与地震的峰值加速度有关，而且和地面运动的速度、持时、频率、土和结构的相互作用、场地土的性状、场地的卓越周期以及建筑物的质量、位置、形状、基础的性质以及结构的动力特性(振型、自振周期和阻尼)都有密切的关系[5]。本文选取了三条地震波进行分析计算:El-Centro地震记录、宁河天津地震记录、迁安地震记录。

 

 

 

美国加州的El-Centro南北方向地震记录，是一个典型的II, III类场地的地震记录，场地特征周期0.3～0.4、加速度峰值为341.7gals，时间间隔0.02s,记录时间长度为20秒。中国的宁河天津波，南北向，峰值加速度为145.80 gals，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。迁安地震记录，最大峰值加速度为132.39ga1s，峰值出现时刻为4.29s，时间间隔0.01s,记录时间长度为10秒。考虑七度抗震进行换算，地震波图记录如下三图所示：

 

 

 

 

 

 

图2 天津波加速度谱

 

 

 

Fig.2 Tianjin wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

图3 El-Centro波加速度谱

 

 

 

Fig.3  El-Centro wave acceleration spectrum

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4 迁安波加速度谱

 

 

 

Fig.4  Qian'an wave acceleration spectrum

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框架跨数	框架层数	框架柱	框架梁
截面规格	A(mm2)	截面规格	A(mm2)
单       跨	3	400×300×8×12	10208	450×250×8×10	8440
6	500×400×12×16	18416	450×250×10×14	11220
双                   跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840
9	600×500×16×20	28960	450×250×10×14	11220
12	700×550×20×24	39440	450×250×12×16	13016
三       跨	6	500×400×12×16	18416	450×250×8×10	8840