高层框架剪力墙结构动力特性研究

【摘要】框架-剪力墙结构是高层建筑中应用较为广泛的一种结构体系，其抗震性能及弹塑性位移研究正处于发展阶段。本文在分析框架-剪力墙结构体系的基础上，重点通过数值模拟技术分析了高层框架剪力墙结构动力特性，对于今后框架-剪力墙结构发展具有一定帮助。
　　【关键词】高层建筑结构；框架-剪力墙结构；动力特性
　　
　　1 框架-剪力墙结构体系概述
　　框架-剪力墙结构体系是在框架结构中布置一定数量的剪力墙所组成的结构体系。由于框架结构具有侧向刚度差，水平荷载作用下的变形大，抵抗水平荷载能力较低的缺点，但又具有平面布置较灵活、可获得较大的空间、立面处理易于变化的优点；剪力墙结构则具有强度和刚度大，水平位移小的优点与使用空间受到限制的缺点。将这两种体系结合起来，相互取长补短，可形成一种受力特性较好的结构体系-框架，剪力墙结构体系。剪力墙可以单片分散布置，也可以集中布置[1]。为了初步了解结构的动力特性，对框架．剪力墙结构进行模态分析，并从影响结构的动力特性的不同因素考虑结构的固有频率和振型的变化规律。
　　2 框架-剪力墙结构的动力特性探讨
　　2.1 结构的模态分析
　　结构的地震反应决定于结构本身固有特性和地震动特性。结构体系中比较重要的动力特性是结构在无阻尼情况下的自由振动频率和相应的振型。结构在动荷载作用下结构内部构件的最大内力、位移和变形等都与结构的固有频率和振型特点密切相关，因此寻求自振频率和振型是进行各项动力分析的前提和基础，寻找结构的固有频率和振型是计算分析的主要内容，因此首先进行模态分析。本文利用ANSYS中的子空间迭代法，对初始模型进行模态分析，初步了解了框架．剪力墙结构的动力特性。
　　考虑竖向重力荷载对模态的影响，采用子空间迭代法进行模态求解，分析不同模型下的自振频率及前几阶振型图，观察此框架-剪力墙结构的自振频率规律及各阶模态的振型曲线、振型特性的规律。
　　表1前十阶振型特点
　　
　　表1前十阶振型特点，通过表1可以看出，出模型的第一振型为X方向整体平动，对应频率为O．6897Hz，周期为1．4536s，对应最大位移为0．8310mm；第二振型为Y方向整体平动，对应频率0.8740Hz，周期为1.1494s，对应最大位移为0.7865mm。第一、第二振型沿高度都呈较明显的弯曲型位移分布，即底部变形较小，而上部位移较大，且第一主振型X方向的最大位移大于第二主振型Y方向的最大位移，这是由于结构X方向为长轴方向，沿X方向布置的剪力墙间距较大，Y方向为短轴方向，沿Y方向布置的剪力墙间距较小，使x方向的刚度较Y方向的小，因此结构的振动控制方向为x方向。又由第一、第二周期相差不大，可知结构的刚度分布是比较均匀的。第三振型为绕Z方向的扭转振型，对应频率为1.3721Hz，周期为0.7288s，符合高层建筑结构设计规范中前两阶振型不能为以扭转振型为主的规定。结构以平动为主的第一自振周期T1=1.4536s，以扭转为主的第一自振周期T3=0.7288s，其比值T3／T1=0.5014，小于《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2002)中规定的值0.85，从扭转变形分布特点上看，整体协调性较强，没有出现显著的局部位移放大现象，说明本结构体系平面布置对称、规则合理，立面上质量、刚度分布较均匀，结构抗扭能力满足要求。。从以上分析结果表明，本文的框架-剪力墙结构计算模型具有良好的整体性能，适合于计算研究。
　　2.2 结构内部特性对结构动力特性的影响
　　几个低阶振型的运动在总运动中占主导地位，因此这里主要对结构前两阶振型即结构的X向一阶、Y向一阶进行分析，研究框架-剪力墙结构的动力特性变化规律。结构的动力特性及抗震性能跟结构的内部构造有关系，因此本文针对不同剪力墙厚度、不同楼板厚度、不同底层高度、有无中间剪力墙这几种情况来分析框架，剪力墙结构的固有频率、振型的变化规律，从而研究结构抗震性能。
　　2.2.1 不同剪力墙厚度的模态分析
　　通过不同剪力墙厚度情况下结构的固有频率和幅值比较分析，随着剪力墙厚度的增加，框架-剪力墙结构的固有频率逐渐增大，结构振动的振幅即最大位移逐渐减小，这说明剪力墙厚度影响着结构的动力特性，剪力墙厚度的增加在一定程度上提高了结构的抗震能力。
　　2.2.2 不同楼板厚度的模态分析
　　通过不同楼板厚度情况下结构的固有频率和幅值比较分析，随着楼板厚度的增加，框架-剪力墙结构的固有频率逐渐减小，减小趋势趋近平缓，结构振动的振幅即最大位移也逐渐减小，这说明楼板厚度同样影响着结构的动力特性，但影响不是很明显，楼板厚度的增加也不一定提高了结构的抗震能力。因此，对于高层框架．剪力墙结构楼板的选择要根据其结构固有特性进行验算选择适当的楼板厚度。
　　2.2.3 不同底层高度的模态分析
　　通过不同底层高度情况下结构的固有频率和幅值比较可得，随着底层高度的增加，框架-剪力强结构的固有频率逐渐减少，结构振动的振幅即最大位移也逐渐减小，且X向的一阶最大位移在底层高度4.5-5.5m时变化幅度较大。以上分析说明框架-剪力墙结构的底层高度对结构的动力特性有很大影响，单从固有频率角度考虑，应该减少底层高度，单从振动幅值角度考虑，应增大底层高度，所以对于高层框架-剪力墙结构底层高度的选取，应大于楼层高度的1．5倍，小于楼层高度的2倍。
　　2.2.4 有无中间剪力墙的模态分析
　　从有无中间剪力墙情况下的结构的固有频率和幅值比较分析，对于沿Y方向结构中间位置是否布置剪力墙的情况，
　　以X方向为第一主振型的一阶固有频率，无中间剪力墙较有中间剪力墙稍大些，而以Y方向为第二主振型的二阶固有频率，在无中间剪力墙情况下较有中间剪力墙情况小些，这说明沿Y方向中间位置布置的剪力墙对于以Y方向为主振型的结构的固有频率影响较大。而以X、Y方向各自为主振型的X向一阶最大位移和Y方向一阶最大位移，在无中间剪力墙情况下较有中间剪力墙情况下都有所增大，这说明有中间剪力墙的结构，无论在Y方向还是x方向上，刚度都有所增加。从以上分析可知，整体考虑，对于框架．剪力墙结构，应适当在中间位置布置剪力墙以调节结构的整体刚度，从而提高结构的抗震能力。
　　3 结语
　　为了对框架．剪力墙结构动力特性初步了解以及为后边计算阻尼提供参数，首先对初始计算模型进行了模态分析。考虑到结构动力性能的影响因素，并针对不同影响因素所建立的计算模型进行模态分析。由初始计算模型的模态计算结果分析可知，本文所设计的框架-剪力墙结构平面布置对称、规则合理；立面上质量、刚度分布较均匀，结构抗扭能力满足要求，具有良好的整体性能，适合于计算研究；结构前面几个低阶振型的运动在总运动中占主导地位。