不同计算模型对异形柱结构体系抗震分析的影响

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简介： 钢筋混凝土异形柱指的是除矩形、圆形以外的截面形式，如T形、十字形、L形等截面形式，仅由钢筋混凝土异形柱作为竖向构件组成的结构体系，称之为异形柱框架结构，它一般可用于多层住宅等。除此以外，异形柱结构体系还包括框架-斜撑及框架-剪力墙结构体系，可用于小高层或高层住宅。由于这种结构体系采用与填充墙同厚的T形、十字形、L形柱，它不仅具有可使室内不出现柱楞，又可增加使用面积的特点，而且具有改善建筑功能并使室内布置灵活的特性，受到建筑师、开发商以及广大用户的欢迎。虽然这种结构体系趋于定型只是近几年的事，但已在天津、广州等地得到广泛的应用，并编制了相应的设计规程。
关键字：异形柱 结构设计 抗震分析

1 前言

　　研究表明，异形柱结构体系的受力特性和抗震性能不同于矩形柱结构体系，而由于异形柱截面的不对称特性，在水平地震荷载作用下产生的双向偏压给框架柱承载力带来的影响更不容忽视。所以，对异形柱结构应采用三维整体分析的方法，目前能用于这种结构抗 震分析的常用软件有TAT、SATWE等。

　　由于在实际工作中，所布置的往往不全是异形柱，其中经常会混合采用墙肢相对较长的剪力墙。在这类结构的计算模型输入时，有的设计人员往往把异形柱按短肢剪力墙输入，有的甚至将异形柱框架结构全部按短肢剪力墙输入，这样势必造成一些计算误差，而且发现有些构件的计算误差会影响结构、构件的安全。为此，本文利用一组算例，分析了采用不同输入方式(即采用不同的计算模型)对结构抗震分析结果的影响，以便引起设计人员的重视。

2 计算模型及基本计算参数

　　(1)计算模型：根据目前用于多层住宅的异形柱框架结构的实际情况，为便于分析、比较，本文选取一个柱网尺寸为3.6m×4.2m，共8层的异形柱框架结构，层高2.8m，计算中分别按异形柱和剪力墙两种形式输入，以下将采用异形柱形式输入的结构称为模型一，以剪力墙形式输入的结构称为模型二。分别采用TAT和SATWE软件进行抗震分析比较。

　　(2)基本计算参数：假设该结构所处场地土类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为7度，梁截面尺寸均为150mm×370mm。整个结构的混凝土强度等级为C20。计算用楼面静、活荷载标准值分别取3.9kN/m2、1.5kN/m2。梁上墙的线荷载标准值取7.3kN/m2。

3 计算结果及比较

　　(1)自振周期：从表1可以看到，当采用TAT计算时，由于薄壁杆件模型刚度明显较异形柱大，模型二的结构整体刚度较模型一大得多，反映在结构自振周期上，模型二的自振周期较模型一小6.3%～17.6%；当采用SATWE计算时，由于采用墙板单元模拟剪力墙受力，模型二的自振周期有明显增加，最大增幅达22.2%。模型一的自振周期变化不大。从理论上说，TAT和SATWE在对异形柱框架结构计算时采用相同的计算模型，计算结果应该相同，经分析发现，之所以产生上述误差是因为在SATWE软件中扣除梁与异形柱刚域的重叠部分重量，而TAT没有。在以下的计算结果中还可以看到这种误差所产生的影响。

　　(2)地震作用：从表2可以看到，采用TAT计算时，模型二基底总地震剪力和弯矩较模型一大得多，两组结果间相差最大的可达15.4%。这是因为模型二的结构刚度较模型一大，从而使自振周期变短，地震反应加强的缘故。当采用SATWE计算时，模型二的基底地震总剪力和弯矩明显下降，最大下降幅度为21.5%，而模型一的地震作用变化不大。

　　(3)结构侧移：从表3可以看到，当采用TAT计算时，模型二的结构顶点位移及最薄弱层的层间位移角均较模型一小得多，减少的幅度在13.5%～41.9%之间。值得注意的是，采用SATWE计算时，模型一在风荷载作用下的结构顶点位移较TAT计算结果大得多，两者相差达23.0%。

　　(4)结构内力：从表4、表5可以看到，当采用TAT计算时，模型二墙肢的轴压力较模型一均略有减少，而采用SATWE计算时，结果则基本相反；对梁的内力来说，无论那一个软件计算，其内力相差均较大，由于在模型二中梁长取墙肢端点长度，模型一中梁长取两端异形柱形心长度，所以，模型二的内力较模型二小得多，这对于以剪力墙形式代替异形柱输入的工程来说，需引起必要的重视，不然会存在安全隐患。

4 结 语

　　上述算例分析表明，不同的计算模型无论对异形柱结构体系的自振周期、结构侧移，还是基底弯矩和剪力、梁柱内力都产生很大的影响。因此，在实际工程抗震分析时，需要注意以下几点：①对于肢长与肢宽之比不大于4的异形柱，由于它已接近柱的特征，应采用异形柱形式输入；②对于肢长与肢宽之比稍大于4的短肢剪力墙不应采用过高的轴压比，宜按异形柱套用；③对异形柱结构体系，宜采用两种不同计算模型的软件进行计算，以便校核；④在套用现行规范或参照天津或广东规程时，应注意它们之间存在的差异。同时笔者建议，国家对异形柱结构体系应形成相应的规范条文，以便促进这种结构体系的健康发展。