基于ANSYS的剪力墙结构在不同地震波作用下抗震设计优化研究

2023-02-09基准方中建筑设计股份有限公司合肥分公司安徽合肥230031

安徽建筑 2023年1期

刘芮（基准方中建筑设计股份有限公司合肥分公司，安徽合肥 230031）

1 引言

地震是影响建筑安全的自然因素，其突发性及破坏性对建筑安全稳定均会带来较大负面影响[1,2]，针对房屋建筑开展抗震设计是解决地震破坏的重要途径。剪力墙结构、耗能梁及抗震柱等均是建筑抗震设计的重要构件[3,4]，开展建筑抗震构件的优化设计很有必要。许巍等[5]、魏奇科等[6]、徐文杰等[7]根据建筑结构设计，引入振动台试验方法，根据室内振动台试验结果分析建筑等相关结构的抗震特性，为工程抗震设计提供重要试验依据。当然，阮晓光等[8]、刘璇等[9]、黄子鹏等[10]从建筑或剪力墙结构安全的影响因素入手，多渠道、多角度开展建筑抗震效果计算，为评价建筑安全稳定性提供计算基础。依据剪力墙结构设计方案，针对建筑剪力墙或梁、柱设计方案，采用ANSYS、Abaqus等数值仿真平台[11-12]，研究建筑结构在不同设计方案下地震动响应特征，评价建筑抗震设计的技术优势，进而确定最优设计方案，此可为工程设计方案提供较为快捷高效的对比结果。本文基于建筑剪力墙结构设计方案，分梯次精简剪力墙结构，探讨不同剪力墙布置方案下地震动响应特征，并引入不同地震波开展模拟分析，为工程抗震设防设计提供多维度参考。

2 工程设计分析

2.1 工程概况

合肥某剪力墙住宅楼工程，采用剪力墙结构形式，其建筑高度为75m，总建筑面积超过4000m2，主体结构耐火等级为一级，结构安全等级为二级，场地设防按照丙类设计，其设计有效年限为50年，最大沉降不超过建筑结构高度的1%，主体结构抗震设防烈度按照七度计算，基本峰值加速度为0.1g。该场地基岩为弱风化灰岩，地勘资料表明基岩最大承载力超过250kPa，上覆填土无不良土层，共有三层土体，分别为壤土、碎石土及砂土，颗粒粒径最大及承载力最高位碎石土，持力层也位于该土层。该建筑屋面采用刚性防水材料，设计最大渗透坡降不超过0.15，地下室层高为3.5m，采用二级防水材料，主要用途为地下车库及储藏间。墙体厚度分布在200mm～250mm，其中建筑1～3层外墙厚度为250mm，其他楼层外墙厚度为200mm，内墙普遍为200mm。采用横、纵梁作为结构抗震耗能构件，其横梁截面为矩形，尺寸为200mm×400mm，采用钢混结构，建筑每层楼板为现浇形式，厚度为120mm。该建筑中不同构件所使用混凝土等级有所差异，其中墙体结构在1～3层及其他层分别使用C45与C35混凝土，梁、板采用强度等级C30的混凝土。为进一步加强该剪力墙结构建筑抗震设防性能，讨论采用不同地震波形式对其进行动力响应计算分析，为工程设计提供最优参数。

2.2 结构设计模拟

从工程设计角度考虑，本文采用ANSYS建立该建筑有限元模型[12-13]，如图1所示。该模型中包括梁、剪力墙等重要构件，也包括墙体等薄层单元构件，根据工程构件实际施加相应的力学本构模型。经ANSYS有限元网格划分后，该建筑模型共有微单元1，326，828个，节点数1，389，672个。为分析方便，该模型中X、Y、Z正向分别取结构长度靠东、宽度向北及高度向下方向。

图1 剪力墙建筑模型

同时，为确保结构设计抗震要求，本文基于实际工程剪力墙设计方案，并在确保剪力墙均匀、规则的前提下，满足平面、立面等抗震设计要求，对该建筑工程剪力墙结构进行优化，并设计有三个不同方案，如图2所示。A方案中建筑平面标准层中属内墙的剪力墙构件共有14个，横梁共有9个。B方案在A方案基础上减少部分剪力墙，特别针对结构密集分布区域进行精简，以砌筑墙代替剪力墙，扩大建筑内部空间与减轻结构自重，其替代部分剪力墙已在图2（b）中标注。C方案在B方案基础上，进一步减少剪力墙，并从结构中间剪力墙结构开始精简，但与此同时强化建筑周边剪力墙数量，避免建筑中部应力集中，其剪力墙减少部分如图2（c）标注，共有剪力墙构件8个[14]。

图2 剪力墙结构设计方案

2.3 结构自振特性分析

针对结构自振特性，采用多计算阶次下模态分析方法获得各阶次下该建筑结构模型自振频率变化特征，如图3。分析自振频率特征变化可知，随计算阶次递增，各方案结构自振频率均会递增，平均每阶次间自振频率的增幅可达33.3%。同理，在B、C方案中亦是如此，两方案中自振频率在各阶次中的平均增幅分别为31.7%、30.8%。由此可知，三个方案中以A方案结构模型受振动阶次影响敏感度更高。对比三个方案中自振频率可知，C方案自振频率最小，即其结构刚度最小，而A方案自振频率最大，表明A方案在地震作用下具有较好刚度，能承受较大张拉应力集中效应。

图3 建筑结构模型自振频率变化特征

根据对建筑结构各方案自振特性分析，可获得各计算阶次下振型特征，图4为典型阶次下结构振型分布特征。从图中可看出，不论是A方案亦或是B、C方案，在第1阶次或第10阶次中均无显著差异，即改变剪力墙方案设计，对结构自振振型影响较小。

图4 结构振型分布特征

3 结构设计受EI Centro地震波影响

3.1 位移响应特征

根据对三种剪力墙结构设计方案下施加不同峰值加速度的EI Centro地震波，获得三种方案中位移响应特征，如图5所示，本文模型中EI Centro波峰值加速度分别为50cm/s2、100cm/s2、150cm/s2。

图5 EICentro地震波下位移响应特征

从图中可看出，同一种剪力墙结构设计方案，不同峰值加速度的EI Centro波下最大位移响应区域基本保持一致，表明EI Centro地震波加速度峰值改变，不影响方案的最大位移发生区域。从最大位移值来看，在峰值加速度为50cm/s2时，A方案最大位移为33.51mm，而峰值加速度100cm/s2、150cm/s2方案下最大位移分别较之增长了 99.8%、4.7倍，平均峰值加速度每增长50cm/s2可引起最大位移增长1.43倍；同理，在B、C方案中最大位移发生区域均不随峰值加速度改变而发生变化，但位移量值有所影响，随峰值加速度每增长50cm/s2，此两方案最大位移分别有1.33倍、1.29倍增幅，由此可知三个方案中以A方案受EI Centro波峰值加速度影响更为敏感。

对比三种方案在同一峰值加速度下位移响应特征可知，峰值加速度50cm/s2时B、C方案最大位移较A方案分别增大了6%、10.7%；而在峰值加速度100cm/s2时B、C方案最大位移也高于A方案，增幅分别为6.2%、11.2%；同样在峰值加速度150cm/s2时B、C位移响应较高，较之A方案增幅分别为4.1%、4.6%。分析表明，三个剪力墙结构设计方案中以A方案刚度最大，其所受地震动位移最小，表明一味的精简剪力墙数量，虽有所减小结构刚度，但结构位移响应增幅过大，不利于建筑抗震。

3.2 加速度响应特征

图6为建筑楼层各高度下加速度响应特征。从图中可看出，在同一剪力墙设计方案下，EI Centro地震波峰值加速度愈大，则建筑加速度响应值愈高，以B方案为例，在建筑楼高20m处峰值加速度50cm/s2时，加速度响应值为186cm/s2，而峰值加速度 100cm/s2、150cm/s2地震波下加速度响应值较之分别增大了1.29倍、4.93倍。在该方案下，峰值加速度100cm/s2、150cm/s2与峰值加速度50cm/s2地震波间加速度响应值的差幅分别达1.1倍～2倍、3.8倍～7.3倍。当在同一峰值加速度地震波作用下，建筑楼高愈大，加速度响应值愈大，即结构顶部处受地震动力作用下响应幅度最大。另一方面，三个剪力墙方案中在相同峰值加速度地震波作用下，以B、C方案响应水平更大，峰值加速度50cm/s2时A方案加速度响应值较B、C方案下降低了8.7%～33.8%、31.3%～57%，当峰值加速度增大至150cm/s2时A方案与后两方案间差幅达13.8%～44.2%、35.2%～62.2%，表明EI Centro地震波峰值加速度愈大，则剪力墙数量精简之下引起的加速度响应水平差异愈大。

图6 EICentro地震波下加速度响应特征

4 结构设计受Taft地震波影响

4.1 位移响应特征

基于Taft地震波作用下，获得不同峰值加速度的Taft地震波作用下各剪力墙方案中位移响应图，如图7所示，Taft地震波峰值加速度方案同样也分别为50cm/s2、100cm/s2、150cm/s2。

图7 Taft地震波下位移响应特征

从图中可看出，不同峰值加速度Taft地震波作用下建筑结构最大位移响应值均在同一区域，Taft地震波峰值加速度的改变，同样不会引起最大位移区域发生变化，表明不论是EI Centro地震波亦或是Taft波，对建筑结构地震位移响应主要影响在量值水平，对所在位置保持较为一致。在同一方案中，随Taft地震波峰值加速度增大，则地震响应水平愈大，A方案中峰值加速度50cm/s2时最大位移为34.4mm，而Taft地震波峰值加速度每增大50cm/s2时，该方案最大位移平均增长1.53倍，同时B、C方案中最大位移平均增幅分别为1.42倍、1.44倍，同样表明A方案位移响应特征受Taft地震波峰值加速度影响更为敏感。

当在同一峰值加速度下，B、C方案中最大位移均高于A方案，在峰值加速度50cm/s2Taft地震波下，B、C方案较A方案最大位移分别增大了0.41%、9.5%；B、C剪力墙结构方案中受地震荷载影响，极易发生宏观大位移振幅。对比EI Centro地震波下位移响应值可知，在相同A方案中峰值加速度均为50cm/s2时，Taft地震波作用下最大位移高于EI Centro波，两者差幅为2.8%，而在峰值加速度100cm/s2、150cm/s2时差幅分别为 8.6%、13.2%；在 B、C 方案中三个加速度峰值地震波差幅分别为0.08%～10.6%、1.5%～15.5%。综上分析可知，抗震设计不能仅以剪力墙刚度的降低作为评价[2,17]，不同地震波下A方案较之B、C方案位移响应水平最低。

4.2 加速度响应特征

同理，可获得Taft地震波作用下三种剪力墙结构方案的加速度响应值，如图8所示。根据图中加速度响应特征可知，不论是加速度响应值随楼高变化，亦或是随地震波峰值加速度变化，其趋势基本与EI Centro地震波下影响特性基本一致。同时，B、C方案加速度响应值高于A方案，在峰值加速度50cm/s2时差幅分别为1.1%～35.9%、8.4%～83.3%，而在100cm/s2时、150cm/s2时B方案与之平均差幅分别达 26.1%、17.2%，故Taft地震波下同样以B、C方案受地震动力作用下加速度幅值最大。

图8 Taft地震波下加速度响应特征

对比EI Centro地震波与Taft波之间加速度差异可知，在相同峰值加速度下，以Taft地震波加速度响应值更高，在A方案中三个峰值加速度工况下EI Centro地震波与Taft波间平均差幅分别为66.6%、62.3%、19.8%，而B、C方案中差幅分别为9.5%～79.4%、13.7%～71.1%，由此也可知B、C剪力墙方案中结构受Taft地震波影响敏感度高于EI Centro地震波，地震波的变换对B、C方案的加速度响应幅值影响较大。综合三种剪力墙设计方案分别在EI Centro与Taft地震波作用下位移、加速度响应，可认为A方案抗震特性较佳，更利于该建筑抗震设防。