基于ANSYS的轻钢结构动力时程分析

张新中 田 丹 唐克东
（华北水利水电大学，郑州 450011）

摘 要：采用ANSYS软件针对1栋3层轻型钢结构别墅进行动力时程分析，研究轻钢结构在地震作用下结构的位移、速度、加速度与时间的关系，并对不考虑应力蒙皮效应与考虑应力蒙皮效应两种情况下结构的最大变形和动力性能进行了比较。

关键词：轻钢结构；蒙皮效应；时程分析

轻型钢结构建筑是目前国内外应用和发展速度最快的新型结构形式之一，具有质量轻、施工周期短、建筑造型美观、抗震性能好等优点［1］。考虑蒙皮效应不仅具有经济效益，而且使轻钢建筑设计更为合理。随着计算机应用技术的不断成熟，有限元法逐渐成为人们模拟研究实际问题的首选方法。

1 工程概况

本文研究的计算模型为邢台路桥公司开发的一栋轻型钢结构别墅。该别墅为3层，建筑物高度为10.650m，属于二类建筑，耐火等级为二级，屋面的防水等级为二级。建筑物所处风压地带的基本风压为0.45kN/m2，基本雪压为0.30kN/m2。其所处的场地类别为Ⅱ类，地基承载力为120kN/m2，抗震设防烈度为7度，抗震等级为Ⅱ级，设计的基本地震加速度为0.10g。该工程中轻钢别墅的框架结构构件采用冷弯薄壁型钢，冷弯薄壁型钢的钢材选用Q345B级钢，柱距和梁距分别按照600mm的模数进行设置。该别墅的底层平面如图1所示。

2 建立有限元模型

2.1 蒙皮单元有限元模型的选取［1］

图1 底层平面布置

本文利用ANSYS进行有限元分析，蒙皮结构的有限元模型主要选取以下几种单元类型：框架结构采用Beam 188单元模拟；蒙皮板采用Shell 63单元模拟；连接件采用Combin 14单元模拟［2］。

2.2 结构模型的建立

本文先建立不考虑蒙皮的结构有限元模型，然后再建立考虑蒙皮后结构有限元模型，使是否考虑蒙皮和是否施加地震荷载作用成为变量［3］。

图2 未考虑蒙皮效应的有限元模型

图3 考虑蒙皮效应的有限元模型

3 结构的动力时程分析

时程分析法是根据选定的地震波和结构恢复力特征曲线，对动力方程进行直接积分，采用逐步积分的方法计算地震作用过程中每一瞬时结构的位移、速度和加速度反应，从而观察到结构在罕遇地震作用下，弹性和非弹性阶段的内力变化及构件开裂、损坏直至结构倒塌的全过程。文中所选地震波为天津宁河波，原始曲线如图4所示。此地震波总持时设为12s，每步的时间间隔为0.01s。结构在7度、8度和9度多遇地震烈度下的调幅系数分别为0.003 359 6、0.006 719和0.013 438 3［4］。

图4 天津波东西向

假定结构模型仅受单向水平波作用，故运算时只输入了天津波的x方向进行求解，并且只进行了该结构在8度多遇地震烈度下动力时程分析，最后得出不考虑蒙皮和考虑蒙皮两种结构在地震波的作用下其位移、速度和加速度随时间的变化曲线，并进行对比。计算结果如图5、表1所示。

图5 各楼层顶部动力时程分析结果

表1 不同模型数据对比

楼层不加蒙皮结构位移最大值/mm速度最大值/（m·s-1）加速度/（m·s-2）加蒙皮结构位移最大值/mm速度最大值/（m·s-1）加速度/（m·s-2）1 19.241 0 0.083 4 0.414 0 12.254 3 0.047 2 0.185 4 2 24.868 0 0.099 8 0.524 3 14.993 0 0.079 8 0.356 2 3 31.962 0 0.146 2 0.689 0 18.522 0 0.126 5 0.676 0

由图5可以看出，结构在天津波作用时，模型的位移、速度及加速度的变化曲线均遵循天津波原始曲线的变化规律，不加蒙皮结构的模型其位移、速度及加速度的最大值均发生在第3层顶部，分别为31.962 0mm、0.146 2m/s、0.689 0m/s2；而当对模型加了蒙皮结构以后，这三者的最大值仍旧在第3层顶部达到，但相对于不加蒙皮结构的模型则分别降低为：18.522 0mm、0.126 5m/s、0.676 0m/s2。总而言之，在天津波作用下，蒙皮结构起到了对结构整体刚度及承载力的加强作用。

4 结 论

1）由同一结构的各层时程曲线可以看到，其他楼层的时程曲线与顶层的时程曲线形状完全一致，只是位移的大小不相同，最大位移发生在顶层。

2）在动力时程分析中，通过对比两种结构在地震波下的位移、速度和加速度随时间的变化曲线，明显可以看出，在轻钢结构的设计中考虑应力蒙皮效应可使结构的整体力学性能得到很大的提升。蒙皮结构不仅加强了轻钢框架结构的整体稳定性和刚度，而且还改变了结构的受力情况。

参考文献：

［1］ 王元清.现代轻钢结构建筑及其在我国的应用［J］.建筑结构学报，2002，23（1）：2-8.

［2］ 王新敏.ANSYS工程结构数值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

［3］ 王冲.轻钢结构蒙皮效应设计与研究［D］.郑州：华北水利水电学院，2013.

［4］ GB 50011-2010 建筑抗震设计规范［S］.

DYNAMIC TIME-HISTORY ANALYSIS OF LIGHT STEEL STRUCTURE BASED ON ANSYS

Zhang Xinzhong Tian Dan Tang Kedong
（North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou 450011，China）

ABSTRACT：ANSYS software was used to analyze dynamic time-history of a villawhich was a three-layer light steel structure，and the relationship among displacement，velocity，acceleration and time of the light steel structure under the load of frequent earthquake，and it was compared the maximum deformation and dynamic behavior of the structure in both cases of not considering stress skin effect and doing so.

KEY WORDS：light steel structure；skin effect；time-history analysis：，

DOI：10.13206/j.gjg201504015

第一作者：张新中，男，1963年出生，教授级高级工程师。

通信作者：田丹，[e-mail]。

收稿日期：2014-10-28