高 冉 蘇義坤 崔真榕

(東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

·結(jié)構(gòu)·抗震·

某北方村鎮(zhèn)框架結(jié)構(gòu)民宅動力特性分析

高 冉 蘇義坤 崔真榕

(東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040)

為了研究北方村鎮(zhèn)中單層框架結(jié)構(gòu)體系民宅的動力特性，采用有限元軟件ANSYS對某北方村鎮(zhèn)民宅的主框架建立三維有限元模型，并計算了主體框架的前六階主振型，得到了前六階振型的結(jié)構(gòu)自振頻率、周期、主振型特點等動力特性參數(shù)，所得到的結(jié)論可以為北方村鎮(zhèn)框架結(jié)構(gòu)體系民宅的抗震設(shè)計提供依據(jù)。

北方村鎮(zhèn)，框架結(jié)構(gòu)，動力特性

0 引言

近年來國內(nèi)外地震頻發(fā)，2015年4月的尼泊爾大地震、2014年的云南魯?shù)榈卣鹨约?008年的汶川大地震等等，這些地震既造成了大量經(jīng)濟損失，同時由于地震發(fā)生多處于村鎮(zhèn)地區(qū)，而村鎮(zhèn)民宅結(jié)構(gòu)的抗震性能較弱，也帶來了大量的人員傷亡。因此對于村鎮(zhèn)民宅進行動力特性的分析是很有必要的。

隨著我國社會主義新農(nóng)村建設(shè)的持續(xù)開展，越來越多的村鎮(zhèn)民宅由原來的磚混結(jié)構(gòu)改建成抗震性能較好的框架結(jié)構(gòu)，而隨著深化改革的進行，未來框架結(jié)構(gòu)的村鎮(zhèn)民宅建筑將會占據(jù)較大的比例。本文以某北方村鎮(zhèn)民宅為計算模型，對其進行模態(tài)分析，得到單層框架結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)。

1 計算模型

根據(jù)相關(guān)文獻調(diào)查可知，我國北方村鎮(zhèn)民宅大多都是獨棟院落式單層建筑，由于我國北方地區(qū)天氣寒冷，村鎮(zhèn)居民生活簡陋，其村鎮(zhèn)民宅的平面布局主要是“一明兩暗”的形式，我國北方村鎮(zhèn)民宅的傳統(tǒng)戶型以長方形為主，沿南北向布置，一般只具備簡單的“吃”與“住”的功能，其某單層框架型的北方村鎮(zhèn)民宅的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[1]。

運用ANSYS12對民宅結(jié)構(gòu)的主體框架建立三維有限元模型，模型采用Beam188梁單元，建立模型以后將單元劃分網(wǎng)格并在立柱處施加固定約束，對模型施加自重荷載。建立的有限元計算模型如圖2所示。

2 動力特性分析

對結(jié)構(gòu)進行動力響應(yīng)分析的基礎(chǔ)是了解結(jié)構(gòu)的動力特性?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)主要有自振頻率、自振周期以及主振型等。在ANSYS中，通過模態(tài)分析可以得到框架結(jié)構(gòu)相關(guān)的動力特性參數(shù)，主要思路是將框架結(jié)構(gòu)離散化，并將有限元矩陣進行解耦進而轉(zhuǎn)化為求矩陣特征值的辦法，然后進行求解可以得到結(jié)構(gòu)的動力特性參數(shù)。

在ANSYS中對框架結(jié)構(gòu)進行動力分析有多種辦法，本例采用Subspace法對該框架體系進行動力分析并且提取結(jié)構(gòu)前六階模態(tài)的自振頻率、自振周期以及主振型圖。所提取的動力特性參數(shù)如圖3所示。

根據(jù)圖3中所顯示的該單層框架結(jié)構(gòu)北方村鎮(zhèn)民宅的動力特性可以看出，隨著模態(tài)階數(shù)的增加，單層框架結(jié)構(gòu)的自振頻率在不斷的增大，而自振周期在不斷的減小，而增減的幅度隨著階數(shù)的增大也在不斷提升，但前六階模態(tài)的頻率總體變化不是很大，第六階模態(tài)的自振頻率為20.334 Hz，僅為第一階模態(tài)自振頻率12.246 Hz的1.69倍。在第一階模態(tài)中，主要是主梁跨中的輕微上翹，而上翹幅度最大的主梁則是跨徑最大的主梁，因此在振動過程中最容易破壞的就是大跨度的主梁，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)注意抗震，而在第一階模態(tài)中立柱的變形很小。第二階模態(tài)的自振頻率較第一階模態(tài)頻率稍大一點，其變形開始出現(xiàn)在其他的主梁上，此時主梁的變形仍以豎彎為主，由于梁體變形引起了梁柱之間剛節(jié)點的變形，此時的立柱也發(fā)生了輕微的側(cè)移。在第三階模態(tài)中，柱體的變形持續(xù)增大，且最大變形處位于梁柱的剛節(jié)點處。在第四階模態(tài)里，最長跨徑的主梁開始出現(xiàn)側(cè)彎，第五、第六階模態(tài)的主要變形仍是上部主梁的側(cè)彎變形，且變形的位置不斷改變，變形的幅度越來越大，由于主梁側(cè)彎引起的立柱的側(cè)移和橫移，最后導(dǎo)致框架整體的大幅度變形。在前六階變形中，并未出現(xiàn)梁柱的扭轉(zhuǎn)變形，這說明單層框架結(jié)構(gòu)的抗扭能力較好。

3 結(jié)語

通過對我國北方村鎮(zhèn)某框架結(jié)構(gòu)民宅的動力特性分析，我們可以看出框架結(jié)構(gòu)的抗震動性能較好，第一階模態(tài)發(fā)生于10 Hz以上的頻率。而前六階模態(tài)的振動頻率依次增大但相差不多，因此在振動發(fā)生時，此類結(jié)構(gòu)很容易因為連續(xù)的振動變化而損傷。在前六階模態(tài)里，振型變化主要是主梁的變形，在低頻率下主梁發(fā)生豎彎，高頻率時主梁發(fā)生橫彎變形，且跨徑大的主梁更易發(fā)生變形，主梁的變形引發(fā)的附加荷載會從剛節(jié)點傳到立柱，引起立柱變形，因此在抗震設(shè)計時應(yīng)注意加固。

[1] 趙加寧，王東魁，嚴柳生.冷凍空調(diào)系統(tǒng)添加劑之節(jié)能應(yīng)用[A].全國暖通空調(diào)制冷2010年學術(shù)年會論文集[C].2010.

[2] 李廉錕.結(jié)構(gòu)力學[M].北京：高等教育出版社，2010.

[3] 傅志方.模態(tài)分析理論與應(yīng)用[M].上海：上海交通大學出版社，2000.

[4] 蘇義坤,賴卓平,姚 琪.我國村鎮(zhèn)非標民宅功能現(xiàn)狀調(diào)查與分析[J].經(jīng)濟師,2015(1):19-20.

[5] 何鈺龍.人行鋼桁架橋動力特性及反應(yīng)譜分析[J].黑龍江工程學院學報，2015，29(1):12-15.

Analysis of dynamic characteristics of frame structure houses in northern rural areas

Gao Ran Su Yikun Cui Zhenrong

(NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

In order to study dynamic characteristics of single frame system in northern villages houses, the main frame of the finite element software ANSYS to a northern village houses the establishment of three-dimensional finite element model, the main frame of the first six order vibration mode and structure calculation, the first 6 modes of vibration frequency, cycle, the main vibration characteristics the dynamic characteristic parameters are obtained, and provide the basis for seismic design of the results for northern villages frame houses.

northern villages, frame construction, dynamic characteristics

2015-04-23

高 冉(1992- )，男，在讀本科生; 蘇義坤(1972- )，男，博士，教授； 崔真榕(1993- )，女，在讀本科生

1009-6825(2015)19-0020-02

TU311.3

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