異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系有限元分析

向思明

摘 要:異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)由于具有空間布置靈活,受力合理的優(yōu)點(diǎn),在高層建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。本文采用通用的有限元計(jì)算軟件,對(duì)異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,并探討了剪力墻在異形柱框架結(jié)構(gòu)中的作用。

關(guān)鍵詞:異形柱框架;剪力墻;水平荷載;有限元法

中圖分類號(hào):TU323.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1008-0422(2009)03-0137-02

1前言

異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系是把異形柱框架和剪力墻兩種結(jié)構(gòu)共同組合在一起形成的結(jié)構(gòu)體系, 房屋的豎向荷載分別由框架和剪力墻共同承擔(dān),而水平作用主要由抗側(cè)剛度較大的剪力墻承擔(dān),框架和剪力墻間以橫向構(gòu)架連。異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)吸收了普通框架剪力墻結(jié)構(gòu)和異形柱框架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),具有整體性好,剛度大、側(cè)向變形小、抗風(fēng)、抗震性能好的特點(diǎn)[1];并且還避免框架柱、梁在室內(nèi)凸出,具有了增大建筑空間,墻面觀感好等優(yōu)點(diǎn)。因此,異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系在高層結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用[2-3]。

在側(cè)向荷載的作用下,異形柱框架的變形主要呈現(xiàn)為剪切型,而剪力墻則主要呈現(xiàn)為彎曲型,這兩種構(gòu)件在樓板的約束下共同變形時(shí),整個(gè)結(jié)構(gòu)則呈現(xiàn)一種較為復(fù)雜的變形形態(tài)。因此,提出一種計(jì)算異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的有效方法,具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2有限元計(jì)算模型

某異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)布置如圖1所示,結(jié)構(gòu)框架柱采用T形截面,框架梁采用矩形截面,層高2.8m,跨度4.8m。地震作用方向?yàn)樗椒较?即在剪力墻中面上,設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g。

根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸,建立異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型,采用8結(jié)點(diǎn)的等參塊單元來模擬框架梁、柱及剪力墻結(jié)構(gòu)。異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示。在設(shè)定單元參數(shù)時(shí),異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的梁、柱及剪力墻混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30,混凝土彈性模量Ec=30GPa,泊松比μ=0.167[4]。

3異形柱框架剪力墻分析

3.1 計(jì)算方案

為了體現(xiàn)異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),下面考慮了兩種計(jì)算方案,并把兩種計(jì)算方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。計(jì)算方案一:異形柱框架結(jié)構(gòu),計(jì)算方案二:異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)。

3.2 指定路徑上的位移、應(yīng)力計(jì)算

表1中給出了兩種計(jì)算方案在路徑1、路徑2上各點(diǎn)的橫向位移ux和豎向應(yīng)力σz值,路徑1、路徑2上各點(diǎn)位置的示意圖如圖1所示。

從表1可以看出,方案一下框架路徑1上的最大橫向位移為18.86mm,方案二下框架路徑1上的最大橫向位移為0.76mm,由此可以看出剪力墻對(duì)框架結(jié)構(gòu)抵抗側(cè)移變形的巨大作用,特別是在高層建筑結(jié)構(gòu)中,這種作用就更加顯著了。但兩種計(jì)算方案得到的豎向應(yīng)力值相差不大,并且主要是壓應(yīng)力,這是由于考慮了結(jié)構(gòu)自重的影響。

3.3 結(jié)構(gòu)的橫向位移

為了研究?jī)煞N計(jì)算方案中結(jié)構(gòu)的位移分布規(guī)律,圖3和圖4給出了兩種計(jì)算方案下結(jié)構(gòu)的位移矢量圖。

從圖3和圖4中可以看出,異形柱框架結(jié)構(gòu)的位移最大值為19.09mm,方向基本為水平向右。異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的位移最大值為1.04mm,方向?yàn)樗较蛴移?這主要是異形柱框架、剪力墻在自重和地震共同作用下產(chǎn)生的。

3.4 結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力變化曲線

圖5和圖6給出了兩種計(jì)算方案下在路徑1上橫向位移和豎向應(yīng)力的變化曲線。

從圖5中可以看出,異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的位移要比異形柱框架結(jié)構(gòu)的位移小得多,這也充分說明剪力墻發(fā)揮了巨大的抵抗剪切變形能力,這說明在高層建筑中采用剪力墻抵抗水平荷載效果是非常明顯的。從圖6中可以看出,兩種計(jì)算方案的豎向應(yīng)力相差不大,但異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力沿路徑1變化平緩,而異形柱框架結(jié)構(gòu)的豎向應(yīng)力沿路徑1變化較劇烈,這也說明了剪力墻能夠使框架的應(yīng)力分布變得較為平緩,有利于結(jié)構(gòu)受力。

4結(jié)語

綜上所述,無論是從結(jié)構(gòu)布置得靈活性,還是從結(jié)構(gòu)的受力角度來分析,異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)是一種非常合理的體系。剪力墻結(jié)構(gòu)能夠有效地抵抗水平荷載產(chǎn)生的側(cè)移量,這在高層結(jié)構(gòu)中顯得尤為重要,得到了廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

[1] 葉海東,武力.框架剪力墻結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)移計(jì)算[J].山西建筑,2005(18):61-62.

[2] 林立,陳洋.異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)在高層住宅中的應(yīng)用[J].設(shè)計(jì)研究,2008(1):49-50.

[3] 王建中.框架剪力墻結(jié)構(gòu)變形計(jì)算方法探析[J].淮海工學(xué)院學(xué)報(bào),1999(1):51-53.

[4] GB50010-2002.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.