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工程技术建筑设计2017年1月第12卷·39·基于ANSYS的某高层建筑模态及风振时程分析黄毅峰1刘鹏21.广州大学建筑设计研究院,广东广州5100002.山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学),重庆400045摘要:首先简单描述了风振响应分析的研究现状,然后较为详尽地介绍了时域分析方面Davenport反应谱分析方法的理论。应用了ANSYS有限元程序以及matlab程序对一个高层建筑结构进行了模态分析以及顺风向风振时域分析。关键词:高层建筑;模态分析;时域分析;ANSYS;matlab中图分类号:TU973.2文献标识码:A文章编号:1671-5586(2017)12-0039-021引言结构抗风分析方法主要分为频域法和时域法。目前,工程上结构抗风分析大都只在频域范围内进行,但该法存在很多缺陷。在实际工程中,时域分析法可更直接地反映结构特性,省去结构抗风分析中大量的结构数学模型简化工作,可直接计算设计所需要的力和位移的最大值。对结构进行时域内的风振分析,首先要确定风荷载。基于数值模拟方法的风速时程曲线可满足某些统计特性的任意性,且比实际记录更具代表性,故在实际工程中被广泛采用。可对结构进行时域范围内的风动力时程分析,得到相应的风速时程曲线。为使风模拟方法在计算中更符合实际情况,模拟风应尽可能接近自然风特征,方法上要具有普遍性和有效性。人工模拟风荷载可以考虑场地、风谱特征、建筑物的特点等条件的任意性,使模拟得到的风荷载尽量接近结构的实际风力。目前,国内外对风速时程的模拟方法主要是CAWS(ConstantAmplitudewaveSuperposition)法、WAWA(W法及线性回归滤波器法。近年来,随着计算机技术的日益发展,人工模拟结构的随机输入得到了广泛的应用。2高层建筑风振响应分析中的基本理论Davenport根据世界上不同地点、不同高度实测得到90多次强风记录,并假定风谱中的湍流积分尺度L沿高度不变,取常数1200m,并取脉动风速谱为不同高度实测平均值,建立如下经验公式:2224/310()4(1)unSnxxku其中,101200nxu;10u为10m高度处的平均风速;k为地面粗糙度系数,0.003~0.03k。Davenport谱另一表达形式:2224/3()243(1)uunSnxx。Davenport谱用于加拿大规范和我国规范。Davenport给出了纵向脉动风速的竖向和横向相干函数的表达式为:1/22222ij()()Coh(r,)exp1()()2yijzijijCyyCzzffUzUz公式中,iy、jy、iz、jz分别为空间两点的横向坐标和竖向坐标,两点的连线与平均风速的方向垂直;()iUz、()jUz分别为高度iz、jz处的平均风速;yC、zC分别为横向和竖向相关的指数衰减系数,其取值可以由试验决定,Davenport根据风洞试验结果建议取16和10。高层建筑可只考虑左右相关和上下相关。3高层建筑结构模态分析及风振响应分析算例3.1算例概况该工程为框架-剪力墙结构,结构平面尺寸为36米×18米,地上23层,层高为4.5米,结构高度103.5米。结构1至5层、6至10层、11至15层、16至20层及21至23层框架柱截面分别采用1000mm×1000mm、900mm×900mm、800mm×800mm、700mm×700mm及600mm×600mm;框架梁截面均为300mm×600mm;剪力墙厚度为400mm;楼板厚度为120mm。3.2建模和分析过程总体思路整个模型采用两种单元类型:BEAM4和SHELL63。框架梁和框架柱均采用BEAM4单元,剪力墙和楼板采用SHELL单元。BEAM4单元参数包括截面的高度、宽度、面积和截面惯性矩,截面形式选用矩形。SHELL63单元参数包括单元节点处的厚度,这里采用等厚度。结构的建模步骤主要分为几何模型的建立和划分网格建立有限元模型。建立几何模型。按照结构图纸的具体坐标建立关键点,连接关键点生成线,从而建立框架—剪力墙的梁柱框架。在梁柱框架的基础上,竖直方向建立剪力墙平面,水平方向建立楼板平面,完成几何模型。建立有限元模型。用ansys有限元分析软件建模并进行网格划分,形成计算分析的有限元模型,端部约束均采用固端约束。3.3风荷载计算参数风速谱:Davenport顺风向风速谱风速相干函数:Davenport相干函数,只考虑竖向脉动风速的相干性风速模拟参数(谐波合成法)(采用matlab软件编写谐波合成法的命令流)截止频率:4π;频率分段:2048;时间间隔:Δt=0.125s;时长:t=512s。体型系数:1.3(封闭式房屋,矩形);基本风压:20.40/kNm3.4模态分析固有频率和模态阵型是结构的重要动力特性,在建立起有限元模型后首先计算出该结构的前六阶固有频率以及对应的模态振型。经计算,模型的前六阶固有频率汇总如图2所示:图2模型前六阶固有频率3.5风振响应时程分析首先使用matlab软件按照谐波合成法编写程序,生成ft.txt文件,以供ANSYS施加水平向风荷载使用。施加载荷作用后通过ANSYS通用后处理器POST1观察结果,下面图4及图5为侧向位移UY及第一主应力分布图:(下转第44页)·44·2017年1月第12卷建筑设计工程技术擦力,致使土颗粒间年距离消失,减小抗滑力,这就需要协调好结构变形和支撑的结构力。在高层建筑施工的过程中,为确保地下室的结构工程可以顺利进行,保证地基开挖的过程相邻宅楼安全性,同时按照场地地质的条件,将负1楼所建钢筋混凝土柱与楼盖当作横向支撑支座,通过带钢板翼缘型钢立柱的支撑结构以及负1层下钢筋混凝土来施工,同时充分考虑整栋建筑外墙的施工。可沿基坑边缘建立挡土墙,设置1500毫米间距I25钢质的立柱,每一个立柱的翼缘间应用钢板焊接,通过水平的撑杆连接地下室1层已建部分。本工程的地基处理采用高压旋喷桩,使基坑底的施工标高高于设计基底,且高压旋喷桩对基坑的土体起到了加固并固结,而这对对护壁基础发挥了很好的支撑作用,从而增加了护壁的抗倾稳定性,最终在基础施工过程中,护壁无坍塌,不漏水,基坑不潮湿,基础及地下室都能顺利建成。4结语总之,由于高层建筑层数比较多,工程较大,所以地基的稳固性对于工程质量至关重要。尤其在地基的支撑结构施工时,需要施工单位在理解设计图纸的前提下,结合本工程特点,制定出合理可行的施工方案,以保证工程施工安全,严格根据图纸要求施工,保证工程质量。参考文献[1]曹石贵.建筑工程中预应力管桩地基的施工技术研究[J].低碳世界,2016(32):168-169.[2]张永涛.浅谈房屋建筑施工工程中的地基处理技术[J].科技与企业,2014(02):202-202.[3]艾怡.地基施工处理技术在建筑工程中的应用[J].江西建材,2014(24):111-111.(上接第39页)图4侧向位移UY分布图图5第一主应力分布图再通过ANSYS通用后处理器POST26可以查看结构中相应点(算例使用的是编号为666的关键点)在风荷载作用下的随时间变化的位移时程曲线,接着使用ANSYS的MathOperations功能对关键点的位移(变量2)对时间(变量1)连续进行2次求导,从而得到该点在风荷载作用下随时间变化的速度以及加速度时程曲线,如下图所示:位移时程曲线4结论通过对结构进行的模态以及风振响应时程分析,得出以下结论:从结构的前六阶模态振型可以看出,由于剪力墙除沿X方向有分布外,沿着Y方向仍有较大范围的分布,使得结构Y方向的刚度增大,从而使得结构的第一阶固有频率和第二阶固有频率比较接近,模型前六阶模态振型主要按照Y方向的平动,X方向的平动和Z方向的扭转交替出现。由关键点666位移、速度及加速度的时程曲线及顺风向23个点的风速时程曲线可知,该结构的时程响应变化符合一般规律。模态分析以及风振响应时域分析是有效的方法,能在对结构尽量少做简化的情况下对结构进行综合评估。可以有效地对高层建筑结构的顺风向反应进行模拟分析。参考文献[1]屈应辉,高层结构时域顺风向风振响应的数值模拟[D].上海大学硕士学位论文,2006(4):26.[2]侯爱波、葛楠、周锡元,高层建筑顺风向风振动力反应时程分析[J].郑州大学学报(工学版),2006(7):82.[3]毛贵牛,高层建筑结构风振时程分析方法研究[D].华南理工大学硕士学位论文,2010(7):56.[4]禹慧、马人乐、何敏娟,复杂高耸结构三维风振响应时程分析[J].特种结构,2007(4):64.[5]王同庆,高层钢筋混凝土剪力墙结构的风振响应分析[D].合肥工业大学硕士学位论文,2008(2):31.[6]时光涛,高层建筑结构风致振动数值模拟[D].合肥工业大学硕士学位论文,2012(8):96.[7]袁波、应惠清、徐佳炜,基于线性滤波法的脉动风速模拟及其MATLAB程序的实现[J].结构工程师,2007(7):82.[8]尚晓江、邱峰、赵海峰、李文颖等编著,ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].中国水利水电出版社,2005(4):13.
本文标题:39、基于ANSYS-的某高层建筑模态及风振时程分析
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