地震作用下異形柱框架結(jié)構(gòu)受力計(jì)算

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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(jì)為等值。因此，室內(nèi)柱、梁、墻的外暴露面均為一個(gè)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(jì)算的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法

　　由于異形柱結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用前景，隨著建筑工業(yè)的迅速發(fā)展，新規(guī)范[2]對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置，軸壓比限值及抗震等級(jí)都作了相應(yīng)的要求。對(duì)于異形柱框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算通常有結(jié)構(gòu)力學(xué)方法和有限單元法，結(jié)構(gòu)力學(xué)方法就是指D值法[3]，此方法首先計(jì)算出異形柱的抗側(cè)剛度D，計(jì)算異形柱的抗側(cè)剛度D時(shí)，從異形柱平面假定及受力性能出發(fā)，導(dǎo)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(jì)算就像普通框架那樣求解，可以計(jì)算出異形柱框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。最后，還可以進(jìn)一步驗(yàn)算異形柱框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)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(lái)發(fā)展起來(lái)的一種非常有效的結(jié)構(gòu)分析方法，并且從理論和應(yīng)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(jì)算軟件，比較有代表性的有限元計(jì)算軟件有ADINA、ANSYS、MSC、MARC、ABAQUS等。下面將采用ANSYS計(jì)算軟件對(duì)某異形柱框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，并把分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行對(duì)比。

　　3.1 研究對(duì)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(biāo)準(zhǔn)層平面如圖1所示。

　　3.2 計(jì)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(jì)算模型，采用8結(jié)點(diǎn)的等參塊單元來(lái)模擬框架梁、柱結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)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(qiáng)度等級(jí)采用C30，混凝土彈性模量EC=30GPa，泊松比μ=0.167.地震對(duì)結(jié)構(gòu)的作用方向，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.1g。

　　4 分析結(jié)果對(duì)比

　　4.1 內(nèi)力計(jì)算

　　通過(guò)采用有限元法和D值法計(jì)算異形柱的內(nèi)力值，兩種方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比參見(jiàn)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(wú)論是有限元法還是D值法，其計(jì)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(jì)算結(jié)果表明，有限元法計(jì)算的剪力值略大于D值法計(jì)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(gè)單元體，用有限個(gè)自由度代替實(shí)際結(jié)構(gòu)的無(wú)限自由度，使結(jié)構(gòu)的計(jì)算剛度偏大，計(jì)算剪力值偏大，但從設(shè)計(jì)的角度講，有限元法計(jì)算結(jié)果是偏于安全的。

　　4.2 位移計(jì)算

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

　　從表2可以看出，兩種方法計(jì)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(jì)算的位移值略小于D值法計(jì)算的位移值，這個(gè)結(jié)果也是由于有限元法計(jì)算模型的剛度偏大導(dǎo)致的。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)本文的計(jì)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(diǎn)，應(yīng)用前景將日益廣泛，研究該種類型結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] 劉文彤。異形柱結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展與應(yīng)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(guó)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(jì)算[J].四川建筑科學(xué)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(diǎn)受剪承載力的理論分析[J].南昌航空大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（3）：41-46。