異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系有限元分析

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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,在高層建筑中得到了廣泛的應用。本文采用通用的有限元 計算 軟件,對異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)進行了分析,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    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,而水平作用主要由抗側(cè)剛度較大的剪力墻承擔,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,具有整體性好,剛度大、側(cè)向變形小、抗風、抗震性能好的特點[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。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,整個結(jié)構(gòu)則呈現(xiàn)一種較為復雜的變形形態(tài)。因此,提出一種計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)實意義。    2有限元計算模型    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。地震作用方向為水平方向,即在剪力墻中面上,設(shè)計基本地震加速度為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)的有限元計算模型,采用8結(jié)點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,異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的梁、柱及剪力墻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[4]。 3異形柱框架剪力墻分析    3.1 計算方案    為了體現(xiàn)異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的受力特點,下面考慮了兩種計算方案,并把兩種計算方案的計算結(jié)果進行了比較。計算方案一:異形柱框架結(jié)構(gòu),計算方案二:異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)。    　  3.2 指定路徑上的位移、應力 計算     表1中給出了兩種計算方案在路徑1、路徑2上各點的橫向位移ux和豎向應力σz值,路徑1、路徑2上各點位置的示意圖如圖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。但兩種計算方案得到的豎向應力值相差不大,并且主要是壓應力,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    為了研究兩種計算方案中結(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,方向為水平向右偏下,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、應力變化曲線    圖5和圖6給出了兩種計算方案下在路徑1上橫向位移和豎向應力的變化曲線。    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,兩種計算方案的豎向應力相差不大,但異形柱框架剪力墻結(jié)構(gòu)的豎向應力沿路徑1變化平緩,而異形柱框架結(jié)構(gòu)的豎向應力沿路徑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,得到了廣泛的應用。     參考  文獻 :    [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)在高層住宅中的應用[J].設(shè)計研究,2008(1):49-50.    [3] 王建中.框架剪力墻結(jié)構(gòu)變形計算方法探析[J].淮海工學院學報,1999(1):51-53.    [4] GB50010-2002.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京: 中國 建筑 工業(yè) 出版社,2002.