基于有限元分析的異形柱結(jié)構(gòu)抗震研究

張夢芽

(華北理工大學(xué) 河北 唐山 063000)

基于有限元分析的異形柱結(jié)構(gòu)抗震研究

張夢芽

(華北理工大學(xué) 河北 唐山 063000)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和社會的不斷進(jìn)步，人們對住宅的要求不斷提高，異形柱結(jié)構(gòu)建筑大大提升了房間利用率，較好的滿足了住戶和房地產(chǎn)投資商的需求。鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系具有良好的建筑功能，在住宅建筑中有廣闊的發(fā)展前景。通過總結(jié)國內(nèi)外研究人員對異形柱結(jié)構(gòu)的抗震研究，發(fā)現(xiàn)大多采用有限元分析法，研究表明異形柱結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，但隨著建筑高度和建筑形式的不斷增加，對異形柱的受力性能和其截面形狀也提出了更高的要求，有待在今后的學(xué)習(xí)中進(jìn)行深入研究。

異形柱結(jié)構(gòu)；抗震；有限元分析

引言

異形柱是指在滿足結(jié)構(gòu)剛度和承載力等要求的前提下，根據(jù)建筑使用功能，建筑設(shè)計(jì)布置的要求而采取不同幾何形狀截面的柱，諸如：T、L、Z、十字形等形狀截面的柱，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。異形柱各肢肢長，可能相等，或不相等，但提倡采用等肢異形柱?？拐鹪O(shè)計(jì)時宜采用等肢異形柱，當(dāng)不得不采用不等肢異形柱時，柱兩肢的肢高比不宜超過1.6，且肢厚相差不大于50mm建筑界所講的“異形柱”,特點(diǎn)是截面肢薄,由此引起構(gòu)件性能與矩形柱性能的包括受力、變形、構(gòu)造做法等一系列差異。制定規(guī)程主要是針對肢厚200mm、250mm的異形柱。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

任何新的結(jié)構(gòu)體系，需要科研人員的理論和試驗(yàn)研究與工程技術(shù)人員的工程實(shí)踐相結(jié)合，才能使體系不斷的發(fā)展和成熟。廣大工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)工作主要依據(jù)規(guī)范和利用計(jì)算程序來進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前對異形柱結(jié)構(gòu)方面的研究不斷有所發(fā)展，對異形柱結(jié)構(gòu)抗震性能的了解正在逐步深入，從而為異形柱結(jié)構(gòu)的發(fā)展奠定了良好的科學(xué)試驗(yàn)與理論基礎(chǔ)。

崔喜田[1]通過有限元分析軟件SAP2000建立模型采用靜力彈塑性分析方法，利用直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法，通過對一個六層的鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)在不同地震作用水平下具有不同的性能水平進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，采用層間位移角作為異形柱結(jié)構(gòu)性能水平的量化指標(biāo)比較合理，能夠有效地控制異形柱結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的抗震性能，便于鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)；并且該設(shè)計(jì)方法的確能將結(jié)構(gòu)的位移控制在目標(biāo)位移之內(nèi)，但當(dāng)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防水準(zhǔn)提高時，需要增加構(gòu)件截面配筋或加大構(gòu)件截面尺寸。

陳靖[2]結(jié)合重慶永川山水林澗的別墅項(xiàng)目進(jìn)行分析研究，從動力理論進(jìn)行抗震分析，采用彈性時程分析和彈塑性時程時程方法比較異形柱以及矩形柱框架結(jié)構(gòu)整體抗震的性能對比。通過有限元分析軟件為SATWE來計(jì)算數(shù)據(jù)，利用PKPM中PMCAD進(jìn)行模型的建立在多遇地震作用下的彈性時程分析，以及結(jié)合EPDA軟件在罕遇地震作用下的彈塑性時程分析的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證異形柱結(jié)構(gòu)在抗震方面的性能要優(yōu)于矩形柱截面。

劉元帥[3]參考年西安建筑科技大學(xué)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停猛ㄟ^改變填充墻的布置和改變混凝土等級、柱軸壓比、梁柱線剛度比等結(jié)構(gòu)參數(shù)，共建立了個型鋼混凝土異形柱框架模型，利用SAP2000對所建模型進(jìn)行模態(tài)分析與彈塑性時程分析，通過模型分析得出各參數(shù)對型鋼混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)抗震的影響并對其進(jìn)行了模態(tài)分析和動力彈塑性時程分析。將分析結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)某些參數(shù)的改變會對整體結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生影響。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或工程施工時，參考分析所得的結(jié)論，充分考慮各種參數(shù)的影響，會使結(jié)構(gòu)更加安全可靠。

王慶花等[4]采用ANSYS有限元軟件對T形柱考慮配筋率和配筋方式進(jìn)行有限元非線性研究分析,建立兩組對比模型。對于T形異形柱的肢長相同的情況下,異形柱的抗震能力還取決于內(nèi)部鋼筋的配置位置和配筋率的大小等關(guān)鍵因素。配筋率的高低不僅取決于鋼筋混凝土的最大和最小配筋率,在抗震性能上,研究出了更優(yōu)化的配筋率和配筋形式。

馬朝陽[5]、李穎曄[6]和干鋼[7]等發(fā)現(xiàn)混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系在工程中常用到的主要有框架結(jié)構(gòu)和框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。通過結(jié)合工程實(shí)例，分別采用SATWE、TAT程序,對異形柱結(jié)構(gòu)中的異形柱按柱輸入和按墻輸入兩種情況進(jìn)行了抗震分析。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對異形柱結(jié)構(gòu)體系,宜采用兩種不同計(jì)算模型的軟件進(jìn)行計(jì)算,以便校核，對截面設(shè)計(jì)及框架節(jié)點(diǎn)處抗震構(gòu)造措施進(jìn)行控制和加強(qiáng)。

在國外，1972 年美國人Joaguin Marin[8]首次對 L形柱進(jìn)行了受力分析，此后 MKawakami[9]、Yau.S.l.Chan[10]等人對異形柱構(gòu)件進(jìn)行了的研究，為后來的異形柱發(fā)展提供了的參考數(shù)據(jù)。

二、有待研究問題

異形柱具有良好的抗震性能，但隨著建筑高度和建筑形式的不斷增加，對其受力性能和異形柱截面形狀也提出了更高的要求。通過總結(jié)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀認(rèn)為尚有以下問題有待深入研究與完善：

(1)異形柱截面應(yīng)該形式多樣，目前的研究限于T、L、十字截面形狀或特定工程中的截面形狀及構(gòu)造研究，對于廣泛截面形狀及構(gòu)造的異形柱在不同況下的性能研究仍有待深入。

(2)異形截面柱的理論計(jì)算方法仍需結(jié)合更多的模型試驗(yàn)深化研究,為今后的工程提高更多參考和指導(dǎo)。

[1]崔喜田.鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)基于性能—位移的抗震研究[D].河北工程大學(xué),2013.

[2]陳靖.鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的抗震分析[D].重慶交通大學(xué),2013.

[3]劉元帥.型鋼混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)抗震分析[D].中南大學(xué),2013.

[4]王慶花,傅鳴春,郭錳.異形框架柱結(jié)構(gòu)中T形柱抗震性能分析[J].低溫建筑技術(shù),2011,(04):88-90.

[5]馬朝陽,謝朝霞.異形柱結(jié)構(gòu)不同計(jì)算模型抗震分析[J].浙江建筑,2007,(08):21-22+29.

[6]李穎曄.不同計(jì)算模型對異形柱結(jié)構(gòu)體系抗震分析的影響[J].安徽建筑,2007,(04):92+100.

[7]干鋼.不同計(jì)算模型對異形柱結(jié)構(gòu)體系抗震分析的影響[J].浙江建筑,2001,(S1):28-29.

[8]Joaguin Marin.Displacement～Based seismic Design of BuildingsApplic ation.Engineering Structures,1972,22:210-221.

[9]M.Kawakami.A simplified model for analysis and design of asymmetric-plan buildings[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1995,24:573-594.

[10]Yau.S.l.Chan.Displacement～Based.eismic.esign.of.Buildings-Theory.EngineeringStructures,2000,22:201-209.

張夢芽(1993—)，女，漢族，河北石家莊人，在讀研究生，華北理工大學(xué)，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。