异形柱框架剪力墙结构体系有限元分析

 

关键词:异形柱框架;剪力墙;水平荷载;有限元法 

 

1前言 

 

异形柱框架剪力墙结构体系是把异形柱框架和剪力墙两种结构共同组合在一起形成的结构体系, 房屋的竖向荷载分别由框架和剪力墙共同承担,而水平作用主要由抗侧刚度较大的剪力墙承担,框架和剪力墙间以横向构架连。异形柱框架剪力墙结构吸收了普通框架剪力墙结构和异形柱框架结构的优点,具有整体性好,刚度大、侧向变形小、抗风、抗震性能好的特点[1];并且还避免框架柱、梁在室内凸出,具有了增大建筑空间,墙面观感好等优点。因此,异形柱框架剪力墙结构体系在高层结构中得到广泛应用[2-3]。 

 

在侧向荷载的作用下,异形柱框架的变形主要呈现为剪切型,而剪力墙则主要呈现为弯曲型,这两种构件在楼板的约束下共同变形时,整个结构则呈现一种较为复杂的变形形态。因此,提出一种计算异形柱框架剪力墙结构的有效方法,具有非常重要的现实意义。 

 

2有限元计算模型 

 

某异形柱框架剪力墙结构布置如图1所示,结构框架柱采用T形截面,框架梁采用矩形截面,层高2.8m,跨度4.8m。地震作用方向为水平方向,即在剪力墙中面上,设计基本地震加速度为0.1g。 

 

根据结构的几何尺寸,建立异形柱框架剪力墙结构的有限元计算模型,采用8结点的等参块单元来模拟框架梁、柱及剪力墙结构。异形柱框架剪力墙结构有限元模型如图2所示。在设定单元参数时,异形柱框架剪力墙结构的梁、柱及剪力墙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[4]。 3异形柱框架剪力墙分析 

 

3.1 计算方案 

 

为了体现异形柱框架剪力墙结构的受力特点,下面考虑了两种计算方案,并把两种计算方案的计算结果进行了比较。计算方案一:异形柱框架结构,计算方案二:异形柱框架剪力墙结构。 

 

　  3.2 指定路径上的位移、应力 计算  

 

表1中给出了两种计算方案在路径1、路径2上各点的横向位移ux和竖向应力σz值,路径1、路径2上各点位置的示意图如图1所示。 

 

从表1可以看出,方案一下框架路径1上的最大横向位移为18.86mm,方案二下框架路径1上的最大横向位移为0.76mm,由此可以看出剪力墙对框架结构抵抗侧移变形的巨大作用,特别是在高层建筑结构中,这种作用就更加显著了。但两种计算方案得到的竖向应力值相差不大,并且主要是压应力,这是由于考虑了结构自重的影响。 

 

3.3 结构的横向位移 

 

为了研究两种计算方案中结构的位移分布 规律 ,图3和图4给出了两种计算方案下结构的位移矢量图。 

 

从图3和图4中可以看出,异形柱框架结构的位移最大值为19.09mm,方向基本为水平向右。异形柱框架剪力墙结构的位移最大值为1.04mm,方向为水平向右偏下,这主要是异形柱框架、剪力墙在自重和地震共同作用下产生的。 

 

3.4 结构的位移、应力变化曲线 

 

图5和图6给出了两种计算方案下在路径1上横向位移和竖向应力的变化曲线。 

 

从图5中可以看出,异形柱框架剪力墙结构的位移要比异形柱框架结构的位移小得多,这也充分说明剪力墙发挥了巨大的抵抗剪切变形能力,这说明在高层建筑中采用剪力墙抵抗水平荷载效果是非常明显的。从图6中可以看出,两种计算方案的竖向应力相差不大,但异形柱框架剪力墙结构的竖向应力沿路径1变化平缓,而异形柱框架结构的竖向应力沿路径1变化较剧烈,这也说明了剪力墙能够使框架的应力分布变得较为平缓,有利于结构受力。 

 

4结语 

 

综上所述,无论是从结构布置得灵活性,还是从结构的受力角度来分析,异形柱框架剪力墙结构是一种非常合理的体系。剪力墙结构能够有效地抵抗水平荷载产生的侧移量,这在高层结构中显得尤为重要,得到了广泛的应用。 

 

 参考  文献 : 

 

[1] 叶海东,武力.框架剪力墙结构在水平荷载作用下的侧移计算[J].山西建筑,2005(18):61-62. 

 

[2] 林立,陈洋.异形柱框架剪力墙结构在高层住宅中的应用[J].设计研究,2008(1):49-50. 

 

[3] 王建中.框架剪力墙结构变形计算方法探析[J].淮海工学院学报,1999(1):51-53. 

 

[4] GB50010-2002.混凝土结构设计规范[S].北京: 中国 建筑 工业 出版社,2002.