地震作用下異形柱框架結構受力計算

1 引言

　　異形柱框架結構是以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件而構成的結構，異形柱結構中的柱肢、梁寬和墻厚一般均設計為等值。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構柱形[1].

　　2 結構計算的結構力學方法

　　由于異形柱結構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]對異形柱結構的結構布置，軸壓比限值及抗震等級都作了相應的要求。對于異形柱框架結構的內(nèi)力計算通常有結構力學方法和有限單元法，結構力學方法就是指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，異形柱框架結構的內(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構的內(nèi)力和位移。最后，還可以進一步驗算異形柱框架結構節(jié)點的承載力[4].

　　3 結構分析的有限元法

　　有限單元法是近年來發(fā)展起來的一種非常有效的結構分析方法，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構進行受力分析，并把分析結果與結構力學方法進行對比。

　　3.1 研究對象

　　某8層住宅樓，層高2.8 m，采用異形柱框架結構，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)該異形柱框架結構的結構尺寸，建立結構有限元計算模型，采用8結點的等參塊單元來模擬框架梁、柱結構。結構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

　　該異形柱框架結構的梁、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.地震對結構的作用方向，設計基本地震加速度為0.1g。

　　4 分析結果對比

　　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，兩種方法的計算結果對比參見表1，表1中給出了異形柱框架結構的上邊柱、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，這是符合框架結構框架柱剪力分布規(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構離散成有限個單元體，用有限個自由度代替實際結構的無限自由度，使結構的計算剛度偏大，計算剪力值偏大，但從設計的角度講，有限元法計算結果是偏于安全的。

　　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構的位移，兩種方法的計算結果對比參見表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構位移非常接近，并且，有限元法計算的位移值略小于D值法計算的位移值，這個結果也是由于有限元法計算模型的剛度偏大導致的。

　　5 結語

　　通過本文的計算分析，可以得出下列結論：

　　5.1 異形柱框架結構由于具有不出現(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，研究該種類型結構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，計算結果可靠等優(yōu)點，可作為異形柱框架結構分析的重要方法。

　　參考文獻：

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

　　[2] JGJ149-2006.混凝土異形柱結構技術規(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構內(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。