地震作用下異形柱框架結(jié)構(gòu)受力計算

劉　奎

摘 要:本文分別采用有限元法和D值法,對異形柱框架結(jié)構(gòu)進行了受力分析,得到了在橫向地震作用下異形柱框架結(jié)構(gòu)的剪力值和位移值。并對兩種方法的計算結(jié)果進行了對比分析,結(jié)果表明,有限元法是一種計算異形柱框架結(jié)構(gòu)行之有效的方法。

關(guān)鍵詞:異形柱框架;地震作用;有限元法;抗側(cè)剛度

中圖分類號:TU311.3

文獻標識碼:B

文章編號:1008-0422(2009)03-0135-02

1引言

異形柱框架結(jié)構(gòu)是以T形、L形、十字形的異形截面柱代替一般框架柱作為豎向支承構(gòu)件而構(gòu)成的結(jié)構(gòu),異形柱結(jié)構(gòu)中的柱肢、梁寬和墻厚一般均設(shè)計為等值。因此,室內(nèi)柱、梁、墻的外暴露面均為一個豎向平面,以避免框架柱在室內(nèi)凸出,少占建筑空間,室內(nèi)面積能夠充分利用,觀感好,是多、低層住宅比較理想的一種結(jié)構(gòu)柱形[1]。

2結(jié)構(gòu)計算的結(jié)構(gòu)力學方法

由于異形柱結(jié)構(gòu)具有廣闊的應用前景,隨著建筑工業(yè)的迅速發(fā)展,新規(guī)范[2]對異形柱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置,軸壓比限值及抗震等級都作了相應的要求。對于異形柱框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算通常有結(jié)構(gòu)力學方法和有限單元法,結(jié)構(gòu)力學方法就是指D值法[3],此方法首先計算出異形柱的抗側(cè)剛度D,計算異形柱的抗側(cè)剛度D時,從異形柱平面假定及受力性能出發(fā),導出其抗側(cè)剛度公式D。然后,異形柱框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算就像普通框架那樣求解,可以計算出異形柱框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。最后,還可以進一步驗算異形柱框架結(jié)構(gòu)節(jié)點的承載力[4]。

3結(jié)構(gòu)分析的有限元法

有限單元法是近年來發(fā)展起來的一種非常有效的結(jié)構(gòu)分析方法,并且從理論和應用上都發(fā)展的較為完善。并且開發(fā)了多種通用有限元計算軟件,比較有代表性的有限元計算軟件有ADINA、ANSYS、MSC、MARC、ABAQUS等。下面將采用ANSYS計算軟件對某異形柱框架結(jié)構(gòu)進行受力分析,并把分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)力學方法進行對比。

3.1研究對象

某8層住宅樓,層高2.8 m,采用異形柱框架結(jié)構(gòu),框架梁的截面尺寸為200mm×300mm,標準層平面如圖1所示。

3.2計算模型

根據(jù)該異形柱框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸,建立結(jié)構(gòu)有限元計算模型,采用8結(jié)點的等參塊單元來模擬框架梁、柱結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的有限元計算模型如圖2所示。

3.3材料參數(shù)與作用荷載

該異形柱框架結(jié)構(gòu)的梁、柱混凝土強度等級采用C30,混凝土彈性模量EC=30GPa,泊松比μ=0.167。地震對結(jié)構(gòu)的作用方向如圖1所示,設(shè)計基本地震加速度為0.1g。

4分析結(jié)果對比

4.1內(nèi)力計算

通過采用有限元法和D值法計算異形柱的內(nèi)力值,兩種方法的計算結(jié)果對比參見表1,表1中給出了異形柱框架結(jié)構(gòu)的上邊柱、下邊柱、中柱、上角柱、下角柱和端中柱等每根單柱的剪力值。

從表1可以看出,無論是有限元法還是D值法,其計算結(jié)果都表明異形柱從底層向上層剪力值逐漸減小,這是符合框架結(jié)構(gòu)框架柱剪力分布規(guī)律的。中柱的剪力值大于其他框架柱的剪力值,端中柱剪力值略大于上角柱和下角柱的剪力值,這是由于這些框架柱的抗側(cè)移剛度D大于其他框架柱。兩種方法計算結(jié)果表明,有限元法計算的剪力值略大于D值法計算的剪力值,這是由于有限元法是把結(jié)構(gòu)離散成有限個單元體,用有限個自由度代替實際結(jié)構(gòu)的無限自由度,使結(jié)構(gòu)的計算剛度偏大,計算剪力值偏大,但從設(shè)計的角度講,有限元法計算結(jié)果是偏于安全的。

4.2位移計算

分別用有限元法和D值法計算異形柱框架結(jié)構(gòu)的位移,兩種方法的計算結(jié)果對比參見表2,表2中表示各層間位移,表示各層相對于地面的位移。

從表2可以看出,兩種方法計算得到的異形柱框架結(jié)構(gòu)位移非常接近,并且,有限元法計算的位移值略小于D值法計算的位移值,這個結(jié)果也是由于有限元法計算模型的剛度偏大導致的。

5結(jié)語

通過本文的計算分析,可以得出下列結(jié)論:

5.1異形柱框架結(jié)構(gòu)由于具有不出現(xiàn)柱楞,不露梁,觀感好,并能夠增加使用面積等優(yōu)點,應用前景將日益廣泛,研究該種類型結(jié)構(gòu)的計算方法具有重要的應用價值。

5.2有限元法具有應用范圍廣泛,通用性強,計算結(jié)果可靠等優(yōu)點,可作為異形柱框架結(jié)構(gòu)分析的重要方法。

參考文獻:

[1] 劉文彤.異形柱結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展與應用[J].江蘇建筑,2008(1):36-37.

[2] JGJ149-2006.混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

[3] 王軍芳,王民,詹鳳程.水平荷載作用下異形柱框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算[J].四川建筑科學研究,2007(6):38-40.

[4] 熊黎黎,謝群,張少欽.鋼筋混凝土異形柱框架頂層邊節(jié)點受剪承載力的理論分析[J].南昌航空大學學報(自然科學版),2007(3):41-46.