底框剪-上部砌体结构受力分析

摘要：本文通过对底框架剪力墙-上部砌体结构采用ANSYS有限元软件进行数值模拟分析，分别选用shell63单元和solid65单元模拟砌体结构，通过比较分析，用两种方法模拟的结构振型相似，自振频率的变化和理论结果是一致的，厚度小，频率高，厚度大，频率就小，结构受力和变形也较一致，而solid65单元模拟的结构周期偏长，受力增大。

关键词：底框架剪力墙砌体结构，ANSYS，数值模拟，模态分析

中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：

概述

底部框架剪力墙砌体结构这种结构形式经济实用，在我国乡镇建筑中仍有较多的底框剪力墙砌体结构形式。从目前的研究成果来看，底部框架剪力墙砌体结构相比传统的砌体结构具有一定的抗震优势，但也存在较多问题。现阶段对结构的抗震性能缺乏系统的研究，需要对结构的变形能力、内力分布、结构计算简图做详细的探讨，需要对相同条件下结构在抗震构造措施方面的特殊需要进行研究。本文拟对底部一层框架剪力墙，上部四层砖混结构的实例进行有限元计算，分别采用shell63单元和solid65单元模拟砌体结构部分，分析比较其受力特点及变形，为工程实例提供可供参考的数值模型。

2.实例简介

某底部框架剪力墙结构-上部砖砌体结构，五层底框架砖房，底层顶板为钢筋混凝土板150mm厚，梁的截面尺寸为250mm×650mm,柱的截面尺寸为450mm×450mm，砼抗震墙厚180mm，圈梁尺寸240mm×180mm和构造柱240mm×240mm，均采用C30混凝土。砖房墙体采用Mu10的砖，M10的砂浆，砖墙基本于梁下设置。房屋平面和立面尺寸如图1所示。

图1 底框砖房基本结构的底层平面和剖面图

3.数值模拟

本文采用有限元软件ANSYS对实例进行建模分析，因为结构为底部框架剪力墙结构-上部砖砌体结构，所以用两种方法模拟，主要区别在于上部结构的模拟单元选择不一样。

方法一：框架柱、框架梁采用beam188单元，剪力墙采用shell63单元，砌体墙采用shell63单元模拟。Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛格梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响，beam188是三维线性或者二次梁单元，每个节点六个或七个自由度。shell633既有弯曲能力和又具有膜力，可以承受面内荷载和法相荷载。本单元每个节点有6个自由度，应力刚化和大变形能力已经考虑其中[1]。其中砌体墙也考虑用shell63单元进行模拟，分析整体变形及模态分析，材料用C15，厚度10mm进行简化建模。

方法二：框架柱、框架梁采用beam188单元，剪力墙采用shell63单元，砌体墙采用solid65单元模拟。Solid65单元为八节点六面体单元，针对此单元开发的混凝土材料具有拉裂与压碎性能。两种方法建模时都省略了上部砌体结构的圈梁和构造柱。根据《混凝土结构设计规范》GB50010-2010[2]的规定，混凝土泊松比采用0.2，砌体结构泊松比采用0.15。建立有限元模型，进行网格划分[3]。

目前砌体结构有限元模型主要分为两种：(1)将砖与砖之间灰缝分别采用各自的弹性模量按不同的单元处理；(2)另一种是将砖砌体和灰缝共同看作一个单元。前者单元多，弹性模量离散型太大，粘结强度不易模拟。通常选用第二种方法。

3.1振型分析

砌体墙选择shell63单元模拟结构和solid65单元模拟结构的自振频率列于表2。

表2各阶模态频率

从上述两种单元模拟的振型可以看到，shell63单元模拟时结构的自振频率较大，而solid65单元模拟时结构的自振频率相对较小。分析其原因是：选择单元尺寸时，用shell63单元模拟砌体墙体时，选择的模拟单元具有较好的抗弯性能，抗剪性能，而实际的砖墙抗弯和抗剪性能较差，所以对墙体的尺寸进行了折减，选择的厚度为100mm。用solid65单元模拟墙体时，选择的模拟单元和砖墙体的性能接近，所以墙体的厚度用原厚度240mm。由于四层墙体的厚度变化，带来的自振频率的变化和理论结果是一致的，厚度小，频率高，厚度大，频率就小。

3.2结构受力分析

数值模拟时，采用shell63单元模拟结构和solid65单元模拟结构的结点最大受力如下表3所示：

表3各结点最大受力

(a) shell63单元变形图(b) solid65单元变形图

图2 模拟墙体时结构变形图

从上述表格及受力比较看出，受力最大结点在楼板中央及纵墙上，用solid65单元模拟墙体时结构的受力明显高于用shell63单元模拟墙体时结构的受力。通过上述受力变形分析可以看出，分析整体结构的受力和变形时，砌体墙采用shell63单元计算上更简单，也能满足结构分析要求，solid65单元数值模拟更复杂，所以进行墙体开裂分析时，适合采用solid65单元模拟。

采用shell63单元和solid65单元模拟分析时，结构总体变形分别如图2所示。

从上述变形图中可以看出，采用solid65单元模拟分析时，最大变形集中在楼板中央，而且分布范围较大，纵墙和横墙也有较大变形；shell63单元模拟分析时，最大变形集中在每块楼板中间，较大大变形分布范围较小，横墙的变形较小。采用shell63单元分析时，X方向变形主要集中在底部剪力墙部位，沿Y方向的变形很小。采用solid65单元模拟分析时，X方向变形很小，沿Y方向变形主要集中在一层和二层相交处的纵墙部位。两种方法分析得到的变形值都能够满足规范要求。

通过上述受力变形分析可以看出，分析整体结构的受力和变形时，砌体墙采用shell63单元计算上更简单，也能满足结构分析要求，solid65单元数值模拟更复杂，所以进行墙体开裂分析时，适合采用solid65单元模拟。

4.结论

通过对底框架剪力墙-上部砌体结构进行数值分析，分别选用shell63单元和solid65单元模拟砌体结构，进行了模态分析，位移分析。从分析的结果可以得知：

（1）采用有限元方法分析底部框架剪力墙结构-上部砖砌体结构时，可以将砌体结构模型简化为shell63单元进行计算，提高计算效率。在今后进行的开裂分析中考虑采用solid65单元进行模拟。

（2）对底部框架剪力墙结构-上部砖砌体结构进行模态分析时，五阶模态中，以第一阶模态为主，设计时主要控制第一阶模态的变形，后几阶的变形可以通过构造设计满足要求。

（3）如果要做更细致的研究工作，对砌体材料应采用solid65单元模拟，而且要控制砌体这种非线性材料的收敛性。这也是下一步工作的研究重点。