某仿古建筑結構受力的有限元分析

某仿古建筑結構受力的有限元分析

以某杜甫臨江閣為研究對象，對該仿古建筑進行結構分析。簡化建筑結構，運用有限元軟件建模，得到各層和整體的力學模型，對模型施加荷載，計算出結構內力，得到在各種荷載下結構的受力、變形、位移等變化特征。結果表明，該建筑的結構設計滿足承載力要求，但某些部位需要加固處理。以上結果可為同等條件下仿古建筑的設計提供理論上的依據。

工程概況

本文以某杜甫臨江閣為研究對象，研究的建筑類型為仿古建筑。結構類型屬于現澆鋼筋混凝土框架結構，建筑面積為3800平方米，高19.5米，設計使用年限為100年，結構安全等級為二級，結構重要性系數取1.1。屋頂由玻璃瓦鋪設，隔墻用非承重砌體空心磚MU5填充，砂漿等級為M5；縱向受力鋼筋采用的是HRB335，箍筋采用HPB235。梁、板、柱均現澆。

樓閣整體看去呈錐形，這與外圍疊柱逐層內收有關。插柱就是疊柱的一種形式，斗拱連接處相對薄弱。即使在仿古建筑中斗拱內核的鋼筋混凝土童柱仍較下部的檐柱細得多。所以各層外圍的檐柱都不是主要承力柱，它僅承擔外檐自重。此江閣各層平面都是對稱的矩形，布局簡單實用，更重要的是對稱結構的剛度分布均勻。通過查閱規范，得到風荷載的相關信息如圖表1所示。

表1 結構設計風荷載信息

表2 各層詳述

建立模型

該建筑每層的詳細信息如表2所示，并以此為基礎建立有限元模型。

第一層建模如圖1所示。在進行豎向荷載布置時將墻體（門和窗戶的位置進行減除）布置在梁上。此層布置吊頂及地磚，總體布置成對稱結構。

第二層建模如圖2所示。此層層高為4.2米并且布置吊頂及地磚，內部墻體的布置與一層不同，總體布置成對稱結構。

第三層建模如圖3所示。此層層高為3.6米并且布置吊頂及地磚，內部墻體的布置與二層相同。

第四層建模如圖4所示。此層層高為3.6米并且只布置吊頂無地磚，但是此層無檐柱設置，內部墻體的布置與第三

層相同。

第五層建模如圖5所示。此層層高為3.6米，在進行豎向荷載計算時，因為是屋頂故把屋頂的力集中于樓板上進行簡化，結構與第四層不同。

最終建立了建筑的整體模型，其三維圖形如圖6所示。

圖1 一層結構平面圖

圖2 二層結構平面圖

圖3 三層結構平面圖

圖4 四層結構平面圖

圖5 五層結構平面圖

圖6 整樓模型

圖7 一層樓板荷載布置

圖8 一層樓板導荷方式

圖9 恒載作用下彎矩圖

施加荷載

樓板的荷載布置及導荷方式以一層為例，如圖7所示，括號內為布置的活荷載大小。由于該建筑樓板多為雙向板，故采用梯形三角形方式導荷更為準確。一層導荷方式如圖8所示。

有限元分析

豎向荷載作用下的有限元分析

以3－3軸為例，通過有限元軟件分析，得到梁與柱彎矩圖如圖9所示，豎向荷載作用下結構變形如圖10所示。

在每層結構中，梁的彎矩大小由中跨的梁向兩邊遞減，因此結構中間的受力明顯比周圍要大得多，在該類建筑設計時要合理增加中跨梁的配筋。在3－3軸線中，彎矩與剪力值均隨樓層的增高而降低，符合實際情況。整體結構在豎向荷載作用下受力比較均勻，承載力均滿足要求，但結構中部無墻的梁受力較大，這是以后在設計和加固中應注意的重點。

風載作用下的有限元分析

該建筑位于非抗震區，承受的水平荷載主要是風荷載。基本假設是在水平荷載作用下忽略剛架的節點轉角。對于有節點位移的剛架，如果梁的線剛度比柱的線剛度大得多，則在水平荷載作用下，節點側移是主要位移，而節點轉角是次要位移。在這種假設的情況下，不僅能保證計算的準確性，還將使計算大為簡化。以3－3軸為例用有限元軟件分析，得到的X風荷載作用下梁與柱彎矩圖如圖11所示，X向風荷載作用下結構變形如圖12所示。

整體結構在X向風荷載作用下，第三、四及五層的梁、柱等構件內力值處于較高水平，原因是該建筑物比較高且迎風

面積較大；但是結構位移校驗滿足要求。由結構位移圖可見，第四及第五層的部分結構位移較大，在今后的加固修復過程中應注意，在類似建筑的設計中也應注意加強該處抗側剛度。

根據軟件計算結果可以直接得到以下圖形：風載作用下X與Y方向的最大彎矩值如圖13所示；風載作用下X與Y方向的最大位移如圖14所示；風荷載作用下X與Y方向的剪力值如圖15所示；荷載作用下X與Y方向的最大層間位移角如圖16所示；風荷載作用下X與Y方向的最大反應力如圖17所示。

圖表結果表明，樓層最大彎矩和樓層最大剪力均出現在一層，且都是隨著層高增加而減小，符合實際情況。在前面的計算中得出，該結構最大彎矩小于結構傾覆彎矩，結構安全。該結構最大水平位移為0.9mm，最大層間位移為1.9mm，最大層間位移角為1/8299＜1/550，層間位移角均滿足抗震規范第5.5.1條要求。二層出現較大風荷載反應力的情況，應注意加強結構底部的構件來提高抗剪承載力和抗彎承載力。

圖10 恒載作用的結構變形

圖11 風載作用下的彎矩圖

圖12 X向風荷載作用結構變形

圖13 風載作用下的最大彎矩值

圖14 風載作用下的最大位移

圖15 風載作用下的剪力值

圖16 風載作用下的層間位移角

圖17 風載作用下的最大反應力

總結

在選擇工程方面，我選取了具有代表意義的杜甫臨江閣做為研究對象。通過模型的建立，對結構進行了多方面的分析，在豎向荷載作用下，位于中間部位的柱子受力最大，在中部無墻的梁受力較大，但均校驗合格，在以后加固中應重點注意。在仿古建筑的設計中，盡量遵循對稱的結構形式，因為對稱結構的剛度分布均勻，使得結構的受力和變形也比較均勻，正常荷載下不會發生突變，能夠保證建筑的正常使用和結構的安全。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.20.015