地震作用下异形柱框架结构受力计算

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1 引言

　　异形柱框架结构是以T形、L形、十字形的异形截面柱代替一般框架柱作为竖向支承构件而构成的结构，异形柱结构中的柱肢、梁宽和墙厚一般均设计为等值。因此，室内柱、梁、墙的外暴露面均为一个竖向平面，以避免框架柱在室内凸出，少占建筑空间，室内面积能够充分利用，观感好，是多、低层住宅比较理想的一种结构柱形[1].

　　2 结构计算的结构力学方法

　　由于异形柱结构具有广阔的应用前景，随着建筑工业的迅速发展，新规范[2]对异形柱结构的结构布置，轴压比限值及抗震等级都作了相应的要求。对于异形柱框架结构的内力计算通常有结构力学方法和有限单元法，结构力学方法就是指D值法[3]，此方法首先计算出异形柱的抗侧刚度D，计算异形柱的抗侧刚度D时，从异形柱平面假定及受力性能出发，导出其抗侧刚度公式D.然后，异形柱框架结构的内力计算就像普通框架那样求解，可以计算出异形柱框架结构的内力和位移。最后，还可以进一步验算异形柱框架结构节点的承载力[4].

　　3 结构分析的有限元法

　　有限单元法是近年来发展起来的一种非常有效的结构分析方法，并且从理论和应用上都发展的较为完善。并且开发了多种通用有限元计算软件，比较有代表性的有限元计算软件有ADINA、ANSYS、MSC、MARC、ABAQUS等。下面将采用ANSYS计算软件对某异形柱框架结构进行受力分析，并把分析结果与结构力学方法进行对比。

　　3.1 研究对象

　　某8层住宅楼，层高2.8 m，采用异形柱框架结构，框架梁的截面尺寸为200mm×300mm，标准层平面如图1所示。

　　3.2 计算模型

　　根据该异形柱框架结构的结构尺寸，建立结构有限元计算模型，采用8结点的等参块单元来模拟框架梁、柱结构。结构的有限元计算模型如图2所示。

　　3.3 材料参数与作用荷载

　　该异形柱框架结构的梁、柱混凝土强度等级采用C30，混凝土弹性模量EC=30GPa，泊松比μ=0.167.地震对结构的作用方向，设计基本地震加速度为0.1g。

　　4 分析结果对比

　　4.1 内力计算

　　通过采用有限元法和D值法计算异形柱的内力值，两种方法的计算结果对比参见表1，表1中给出了异形柱框架结构的上边柱、下边柱、中柱、上角柱、下角柱和端中柱等每根单柱的剪力值。

　　从表1可以看出，无论是有限元法还是D值法，其计算结果都表明异形柱从底层向上层剪力值逐渐减小，这是符合框架结构框架柱剪力分布规律的。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，这是由于这些框架柱的抗侧移刚度D大于其他框架柱。两种方法计算结果表明，有限元法计算的剪力值略大于D值法计算的剪力值，这是由于有限元法是把结构离散成有限个单元体，用有限个自由度代替实际结构的无限自由度，使结构的计算刚度偏大，计算剪力值偏大，但从设计的角度讲，有限元法计算结果是偏于安全的。

　　4.2 位移计算

　　分别用有限元法和D值法计算异形柱框架结构的位移，两种方法的计算结果对比参见表2，表2中表示各层间位移，表示各层相对于地面的位移。

　　从表2可以看出，两种方法计算得到的异形柱框架结构位移非常接近，并且，有限元法计算的位移值略小于D值法计算的位移值，这个结果也是由于有限元法计算模型的刚度偏大导致的。

　　5 结语

　　通过本文的计算分析，可以得出下列结论：

　　5.1 异形柱框架结构由于具有不出现柱楞，不露梁，观感好，并能够增加使用面积等优点，应用前景将日益广泛，研究该种类型结构的计算方法具有重要的应用价值。

　　5.2 有限元法具有应用范围广泛，通用性强，计算结果可靠等优点，可作为异形柱框架结构分析的重要方法。

　　参考文献：

　　[1] 刘文彤。异形柱结构体系的发展与应用[J].江苏建筑，2008（1）：36-37。

　　[2] JGJ149-2006.混凝土异形柱结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2006。

　　[3] 王军芳，王民，詹凤程。水平荷载作用下异形柱框架结构内力计算[J].四川建筑科学研究，2007（6）：38-40。

　　[4] 熊黎黎，谢群，张少钦。钢筋混凝土异形柱框架顶层边节点受剪承载力的理论分析[J].南昌航空大学学报（自然科学版），2007（3）：41-46。