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带填充墙框架-剪力墙结构的有限元分析
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【国际经济论文】摘要：本文通过大型通用设计有限元软件对框架-剪力墙结构进行了仿真分析研究，研究填充墙的模拟方法。利用SAP2000分层壳单元改进填充墙的模拟，建立了五种不同填充墙布置方式的模型。通过对各个模型进行模态分析和动力时程分析，得出大量的数据，对比各模型的周期、位
摘要：本文通过大型通用设计有限元软件对框架-剪力墙结构进行了仿真分析研究，研究填充墙的模拟方法。利用SAP2000分层壳单元改进填充墙的模拟，建立了五种不同填充墙布置方式的模型。通过对各个模型进行模态分析和动力时程分析，得出大量的数据，对比各模型的周期、位移以及层间剪力等结果，系统地分析填充墙对于框架-剪力墙结构的抗震性能影响。
网
关键词：框架-剪力墙结构；填充墙；SAP2000；有限元分析
Finite Element Analysis for Frame-shear Wall Structure with Infill Wall
liukun
(ANHUI HUADIAN ENGINEERING CONSULTATING & DESIGN CO.,LTD)Anhui Hefei 230022
Abstract: This article through large general finite element software to frame-shear wall structure is simulated analysis of the wall, studies the filling simulation method. SAP2000 layered shell element using the improved model, built a five different infill walls layouts of model. Use SAP2000 for each model respectively the modal analysis and the dynamic time-history analysis, obtains a large amount of data, and compared the results of the cycle, displacement, model of interlayer shear forces of system analysis results such as the fill walls for frame-shear wall structure seismic performance impact.
Key words: frame-shear wall structure; infill wall; SAP2000; finite element analysis
1工程概况
该工程基本算例为某综合办公楼简化后的模型，地上21层，地下1层，因本文主要研究填充墙对结构的影响，故删除地下1层。总高度为67.4m，底层层高为5.0m，2～3层层高为4.0m，5～21层层高为3.2m，工程场地为Ⅱ类场地。经修改后该建筑平面布置较规整，平面无较大凸凹，立面无内收和外挑。图1为该综合办公楼的标准层平面布置图。
本工程实例采用现浇钢筋混凝土框架-剪力墙结构体系。一层平面框架柱的截面尺寸为1100mm×950mm、1000mm×800mm两种，每隔5层，柱尺寸减小100mm；剪力墙厚度分别为300mm（1～2层）、250mm（3～8层）、200mm（9～21层）；楼面梁尺寸主要为350mm×700mm、350mm×600mm、350mm×350mm；楼板采用普通钢筋混凝土现浇楼板，各层楼板厚度依据跨度不同分别采用100mm、150mm两种。
图1 标准层平面布置图
2模型在SAP2000 V14.1中的实现
研究填充墙对框剪结构的抗震性能影响，首先建立填充墙布置各种情况的模型，其次进行模拟计算，最后对比分析得出结论。本文利用有限元SAP2000软件建立四种模型，如图2～图6所示，其中剪力墙和填充墙用分层壳方法模拟[1]。
图2 模型A 图3 模型B
图4 模型C 图5 模型D图6 模型E
利用SAP2000有限元软件对5种模型进行模态分析，取前10阶模态，得出各个模型的周期与频率，如表1所示。
表1 各个模型周期频率对比表
(1)模型A的一阶Y向周期为1.641大于一阶X向周期1.454，说明X方向刚度大于Y向刚度。模型B的一阶Y向周期为1.219，相对于A周期折减了74.28%。符合《高层建筑混凝土结构技术规程》3.3.17“当非承重墙体为填充砖墙时，高层建筑结构的计算自振周期折减系数可按下列规定取值：框架-剪力墙结构可取0.7～0.8；”中的要求，同时说明该填充墙模拟方法符合要求。
(2) 根据《高层建筑混凝土结构技术规程》4.2.2规定此结构属于A级高度钢筋混凝土高层建筑，4.3.5规定“结构扭转为主的第一自振周期 与平动为主的第一自振周期 之比，A级高度高层建筑不应大于0.9，……”模型A的周期比为0.754，说明结构平面刚度分布均匀，具备一定的抗扭能力。模型B～E的周期比分别为0.650、0.837、0.735、0.781。模型D在振型二已经出现了扭转，抗扭能力差。模型B满布填充墙之后周期比下降到86.2%，说明均匀加入填充墙后结构抗扭刚度增加，抗震能力随之增加。
(3) 模型D的振型二和振型三出现了扭转，在振型二已经出现少许扭转，如图7～图9所示，单侧填充墙的删除造成了结构一定的扭转效应，特别是两段剪力墙中部的填充墙的删除使得这种效果增加。刚度中心与质量中心的距离拉大，右侧半边填充墙满布，结构的两侧质量刚度差别加大，在地震作用下结构容易出现扭转，造成主体的破坏，说明填充墙不合理地加入会给结构造成不利的影响，设计中应予以避免。
图7 Y向一阶平动 图8 扭转一阶振动 图9 扭转二阶振动
(4)模型C和模型E的周期比相对于模型A增加了28.8%和20.2%，说明加入填充墙后结构的抗扭刚度和抗震能力并不一定增加，模型C和E虽然都去除四层填充墙，但底部去除四层相比中部去除四层，底部加入填充墙与否，对于结构的平动周期和扭转周期的影响较大，而相对于其他层去除填充墙，影响不大。所以在后续的分析中，模型E的情况可以由模型C代替。
3楼层剪力
通过定义组和截面切割求得楼层剪力，由于层数过多，本文分别取底层、四层、十层、十六层、顶层几个有代表性的楼层，如图10和图11所示。
图10 地震作用下X方向楼层剪力图图11 地震作用下Y方向楼层剪力图
通过图10和11分析后可以得出以下四点结论：
(1)各个模型的楼层剪力随着高度的增加会逐渐减小。
(2)在两个方向上，四个模型的趋势大致相同，模型B、C、D的各层剪力均大于模型A，填充墙的加入使得结构自重增加，刚度随之增加，所受的地震作用也相应的增加，所以层间剪力会不同程度的增加。
(3)模型C底部四层虽没有填充墙的加入，造成了一定的薄弱，但没有形成薄弱层，底部剪力并不是最大的，而且小于模型B。究其原因可能是框架-剪力墙结构中，剪力墙承担主要的水平力，底部的填充墙毕竟不多，影响不大。
(4)模型D结构刚心和质心出现一定的偏差，在8度地震力作用下，形成一定的扭转，一边重一边轻，抗震能力较其他模型较差，剪力值相比较模型A的近两倍。
4结论
本章利用有限元SAP2000V14.1软件模态分析对比五种模型，动力时程分析对比四种模型，分析得出以下两点结论：
(1)模态分析中发现框剪结构加入填充墙后周期减小，减小值符合规范要求，填充墙的加入增加了结构的刚度和质量[2]。底部去除填充墙不会出现扭转，而单侧通长的去除填充墙会给结构造成一定的扭转效应，而中部去除填充墙对结构影响不大，一般可以忽略[3] [4]。
(2)动力时程分析对比发现合理均匀地加入填充墙，模型B的层间位移变小，刚度分布均匀，刚度增加，剪力值较无填充墙有一定的增加，具有较好的抗侧刚度[5] [6]。模型C底部无填充墙并没有造成扭转，没有形成薄弱层，但出现一定的应力集中，底部四层位移比较大，剪力值大于模型A，但小于模型D。模型D由于半侧无填充墙，对结构的刚心和质心造成了一定的影响，在振型二中出现了一定的扭转，虽不大，但不容忽视，剪力值也是四个模型中最大的，顶层的加速度放大系数最大，说明填充墙的增加不总是对结构起有利影响，应得到重视[7] [8]。
参考文献
[1]缪志伟，陆新征，叶列平。分层壳单元在剪力墙结构有限元计算中的应用[J]。建筑结构学报，2006,27（S2）：932～935。
[2]吴绮芸，田家骅，徐显毅，砖填充墙框架结构在单向及反复水平荷载作用下的性能研究。建筑结构学报，1980，4（5）：38～43
[3]史庆轩，童岳生，钱国芳。砖填充墙钢筋混凝土框架的地震反应分析[J]。西安建筑科技大学学报。1996，28(4)：423～427。
[4]刘玉姝,李国强。带填充墙钢框架结构抗侧力性能试验及理论研究[J]。建筑结构学报。2005，26（3）：78～84
[5]万超。填充墙对RC框架结构抗震性能的影响及对策研究。武汉理工大学，2009
[6]叶列平，陆新征，马千里，等。混凝土结构抗震非线性分析模型、方法及算例[J]。工程力学，2006，23（S2）：173～183。
[7]万新，杜宏彪，管民生。填充墙对框架结构抗震性能的影响。广东建材，第3期。
[8]樊江，陶燕。砖填充墙框架结构中填充墙的应力分析[J].。昆明理工大学学报。1998，23（1）：25～28
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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