全框架加層結構形式ANSYS靜力有限元分析

武換娥

【摘要】本文應用ANSYS有限元軟件中的實體模型對加層框架結構形式進行了靜力有限元分析。

【關鍵詞】ANSYS有限元模型；外套框架；地震作用

1.工程概況

本文以某一四層鋼筋混凝土全框架結構為基準，在該建筑物上采用分離式外套框架結構加層法增加三層。該框架結構為內廊式四層鋼筋混凝土全框架結構房屋，由于使用上的需要，決定在原有房屋上增加三層，同時使其外觀得以改善。原框架結構為四層，總長為35.1m，寬為14.5m，高為12.8m。因原結構較低，擬采用分離式全框架加層結構的加層方案，且在二層以上加中柱。原結構平面圖如圖1所示。

圖1 原結構平面圖

2.模型幾何參數的選取

梁、柱構件截面選取的原則是：考慮梁、柱構件的線剛度比是提高整個結構強度和穩定承載力的有效途徑，同時考慮，構件截面尺寸、規格的選擇在物盡其用、經濟合理的前提下還應符合盡量統一、規整、方便施工的設計原則。參照這一原則，經過反復多次的調整，該工程梁、柱截面選取見表3.1。

表1 梁、柱截面尺寸

構件編號 截面尺寸（mm×mm）

Z（柱截面） 600×600

L1（底層梁） 1000×2000

L2（其余梁） 300×600

（3）模型物理參數的確定：

根據《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）[1]，結合加層結構房屋的特殊性，本加層結構模型物理參數取為如下值：加層框架混凝土板采用 ，彈性模量 ，泊松比 ；梁、柱采用 ，彈性模量 ，泊松比 。

3.模型的建立

ANSYS靜力分析模型采用實體結構模型，如下圖：

圖2 有限元模型

4.計算荷載及其工況組合情況

4.1 計算荷載

根據《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001）[2]，荷載初始條件按以下標準取用：基本風壓： ；基本雪壓： ；屋面（不上人）恒荷載 ；樓面恒荷載： ；樓梯間恒荷載： ；屋面活荷載（不上人）： ；樓面活荷載： ；走廊樓梯活荷載： ；女兒墻自重： ；外墻體自重： ；內墻體自重： 。

4.2 計算工況說明

根據《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001）[2]和《高層建筑混凝土結構技術規程》（JGJ 3—2002）[3]本文按以下三種工況組合值選取最不利值確定：

工況一：1.2×恒荷載+1.4×活荷載

工況二：1.2×恒荷載+1.4×0.9×（活荷載+風荷載）

工況三：1.2×恒荷載+1.3×水平地震作用

4.3 ANSYS計算加載方法

1）約束模型底部節點自由度；

2）梁、柱、樓板的自重，通過施加慣性荷載，結合已輸入材料參數及實常數，程序自動記入；

3）樓面恒載通過施加面荷載到實體模型上，墻體及樓梯自重荷載簡化為梁間線荷載，施加壓力到梁單元上；

4）樓面、屋面活荷載同樣通過施加面荷載到實體模型上；風荷載簡化為柱間線荷載，施加壓力到柱單元上；

5）地震作用考慮水平地震作用，簡化為柱間線荷載，施加壓力到柱單元上。對應不同荷載定義了多個載荷步文件，采用波前處理器進行求解[4]。

5.計算結果及分析

5.1 計算結果

圖3.1 結構變形圖 圖3.2 總位移云圖

圖3.3 整體應力云圖 圖3.4 底層應力云圖

圖3 工況一作用下的結構的各種云圖

工況一是恒荷載與豎向活荷載作用下的荷載工況組合。圖3給出了在工況一作用下結構的變形和應力云圖，從工況一作用下的結構變形和位移云圖中可以看出：

1）采用實體單元建模時計算的底層大梁跨中撓度偏小，底層大梁跨中撓度為5.53mm。

2）底層柱呈現了較大的變形，呈現外凸狀。底層柱頂彎曲明顯，而上部柱子相對底層柱來說變形很小，幾乎沒有發生變形。

3）從圖3.3和圖3.4可以看出加層框架結構的最大應力出現在二層柱與底層梁板交接位置，尤其是邊柱應力最大，最大值為 。

圖4.1 結構變形圖 圖4.2 總位移云圖

圖4.3 整體應力云圖 圖4.4 底層應力云圖

圖4 工況三作用下的結構的各種云圖

工況三是在水平地震作用和恒荷載作用下的荷載工況組合。圖4給出了在工況三作用下結構的變形云圖和應力云圖。

1. 由于底層柱的柱高最高，抗側移能力弱，從圖3.9可以看出，地震作用效應顯著，在此工況下雖然發生了豎向變形和水平側移，但是以橫向水平側移為主，整個框架結構沿 方向的側移較大，在水平荷載作用下，上部兩層側移最大，側移值達到 。

2. 從圖4查詢得到在工況三作用下，結構的底層柱腳的應力最大，最大值達到 。

加層結構在工況二（恒荷載與活荷載和風荷載）作用下，其變形和應力介于工況一和工況三之間，在此未列出。

5.2 計算結果分析

（1）通過上述計算可知：

① 在工況一作用下撓度值為 。在工況一作用下結構的撓度值很小，在工況三作用下撓度值稍大一點，但是都不會與原建筑發生擠壓碰撞破壞。

③ 在工況三作用下計算的側移值為 。在工況三作用下加層結構在橫向發生了側移，故而在設計時宜適當加大原結構與新結構的間距。

（2）從結構內力圖上可以看出，柱子的內力普遍較小，梁兩端的內力較大，但都沒有超過我國規范規定的設計限值。其中柱子的內力偏小的原因主要是柱截面偏大所造成的。

6.工程結論

通過對計算結果分析，可以得出下列結論：

（1）對于舊房加層改造這種特殊的結構形式，特別是對于加層層數不是很高的建筑物，全框架加層結構形式是比較合理的加層結構形式。

（2）適當的改變加層框架的柱截面，能夠在一定程度上使得材料被充分利用，從而取得較好的經濟效益。

參考文獻

[1] 中華人民共和國國家標準，混凝土結構設計規范GB 50010-2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[2] 中華人民共和國國家標準，建筑結構荷載規范GB 50009-2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[3] 中華人民共和國行業標準，高層建筑混凝土結構技術規程JGJ 3-2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2002.

[4] 江世永，地震動作用下即有建筑物柔性連接外套框架增層結構體系的控制分析[D].上海：同濟大學博士學位論文，1994.