装配式剪力墙结构模态数值模拟分析

【摘要】为研究装配整体式剪力墙结构的模态参数，获取结构的自振频率、阻尼比和振型。本文采用数值模拟的方法建立济南某装配式剪力墙建筑的有限元模型，分别通过有限元软件MIDAS、结构计算软件YJK对该装配式结构进行模态分析，分析两种软件模拟结果的差异原因，并得到结构的自振周期、振型等模态参数，为装配式剪力墙建筑物抗震设计提供一定参考。

【关键词】装配式剪力墙结构;数值模拟;自振周期

任何建筑结构的动力学系统都是由刚度、阻尼矩阵、质量构成的，当结构一旦受到破坏，原有的动力学系统也会被破坏，结构本身所固有的动态参数也将随之改变。一般在现有建筑中结构常常会由于结构承载不足发生坍塌、超期服役、火灾、地震破坏以及狂风破坏等种种原因造成结构破坏。在对结构的动态参数进行研究时，自振频率和振型的获取往往是研究的热点。

1、结构模态分析理论

2、有限元建模及分析

该建筑是济南某装配式建筑示范项目，总建筑面积7341.86平方米，长35.8米，宽11.8米，地上18层，地下2层，建筑高度为52.75米，抗震设防烈度为6度，基础类型为平板式筏形基础，建筑结构安全等级二级，结构类型是装配式混凝土剪力墙结构，建模时按照结构设计说明设置混凝土参数，混凝土采用C30，弹性模量为3X104N/mm2，容重为2.5X104N/m3，模型中共18层，使用3146个节点，5148个单元，其中含梁单元1834个，板单元1514个，墙单元1800个，墙、梁、板、柱混凝土强度均为C30，材料及截面等信息均出自设计图纸，特征值计算方式为子空间迭代，底部支撑采用刚性连接，楼板考虑刚性楼板，在每层施加楼面荷载，最后将荷载转化为质量计算。图1表示为结构MIDAS模型。

通过对模型的计算，得到结构的前三阶振型，计算结果如下表2-1所示，模态识别后，得到项目港新园的MIDAS模型前三阶整体振动模态，如图2所示：

通过建模计算，两种软件模拟结果基本一致，说明模型的准确性，但计算结果仍有些许差异，经分析，差异原因大致可在如下几个方面体现：（1）截面特性不同。两种软件对截面剪切面积的计算规则不同，造成结果差异。（2）材料特性不同。两种软件中的材料的剪切模量不同，MIDAS的材料特性是根据理论公式设定的，而YJK是根据规范设定的，这种区别会导致结果出现1%的差异。（3）荷载传递不同。在活荷载、恒荷载等多个方面都有不同程度的差异，在一些特殊构件，如异型梁、异形板等荷载传递方式也会有所不同。（4）软件功能差异。使用MIDAS建模时，建立楼板单元采用的是三角形建模，而在YJK中，建立剪力墙、梁后，樓板会根据闭合区域自动生成楼板。

结论：

（1）由于通过结构分析软件建立的结构模型是理想化的，因此其质量，强度和刚度在整个结构中是均匀的，与实际工程情况不一致，在建造过程中考虑施工以及填充墙等影响，建筑物的实际自振频率要比理论分析数值小，而自振周期要比理论数值大，振型规律与实际一致。

（2）通过模态分析，得到该项目的前两阶振型都在水平方向平动，第三阶为扭转，符合平动-平动-扭转的一般规律。两栋建筑物一阶与二阶的自振周期相差不大，可以判断结构的刚度分布比较均匀;其中项目一结构的扭转第一周期与平动第一周期的比值为0.522，小于《高层混凝土建筑规程》（JGJ3-2010）中规定的值0.85，满足规范要求。

参考文献：

[1]丁涛，于少春.基于ANSYS的框架结构模态数值模拟分析[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2010，29（S1）：43-44.

作者简介：

郭绪欢（1995-），男，汉族，山东蓬莱人，聊城大学建筑工程学院2018级硕士研究生，研究方向：高层装配式剪力墙结构动力特性研究。