基于有限元分析的異形柱結(jié)構(gòu)抗震研究

張夢(mèng)芽

(華北理工大學(xué) 河北 唐山 063000)

基于有限元分析的異形柱結(jié)構(gòu)抗震研究

張夢(mèng)芽

(華北理工大學(xué) 河北 唐山 063000)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)住宅的要求不斷提高，異形柱結(jié)構(gòu)建筑大大提升了房間利用率，較好的滿足了住戶和房地產(chǎn)投資商的需求。鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系具有良好的建筑功能，在住宅建筑中有廣闊的發(fā)展前景。通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)的抗震研究，發(fā)現(xiàn)大多采用有限元分析法，研究表明異形柱結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能，但隨著建筑高度和建筑形式的不斷增加，對(duì)異形柱的受力性能和其截面形狀也提出了更高的要求，有待在今后的學(xué)習(xí)中進(jìn)行深入研究。

異形柱結(jié)構(gòu)；抗震；有限元分析

引言

異形柱是指在滿足結(jié)構(gòu)剛度和承載力等要求的前提下，根據(jù)建筑使用功能，建筑設(shè)計(jì)布置的要求而采取不同幾何形狀截面的柱，諸如：T、L、Z、十字形等形狀截面的柱，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。異形柱各肢肢長(zhǎng)，可能相等，或不相等，但提倡采用等肢異形柱。抗震設(shè)計(jì)時(shí)宜采用等肢異形柱，當(dāng)不得不采用不等肢異形柱時(shí)，柱兩肢的肢高比不宜超過(guò)1.6，且肢厚相差不大于50mm建筑界所講的“異形柱”,特點(diǎn)是截面肢薄,由此引起構(gòu)件性能與矩形柱性能的包括受力、變形、構(gòu)造做法等一系列差異。制定規(guī)程主要是針對(duì)肢厚200mm、250mm的異形柱。

一、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

任何新的結(jié)構(gòu)體系，需要科研人員的理論和試驗(yàn)研究與工程技術(shù)人員的工程實(shí)踐相結(jié)合，才能使體系不斷的發(fā)展和成熟。廣大工程技術(shù)人員的設(shè)計(jì)工作主要依據(jù)規(guī)范和利用計(jì)算程序來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)方面的研究不斷有所發(fā)展，對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)抗震性能的了解正在逐步深入，從而為異形柱結(jié)構(gòu)的發(fā)展奠定了良好的科學(xué)試驗(yàn)與理論基礎(chǔ)。

崔喜田[1]通過(guò)有限元分析軟件SAP2000建立模型采用靜力彈塑性分析方法，利用直接基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法，通過(guò)對(duì)一個(gè)六層的鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)在不同地震作用水平下具有不同的性能水平進(jìn)行了抗震設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，采用層間位移角作為異形柱結(jié)構(gòu)性能水平的量化指標(biāo)比較合理，能夠有效地控制異形柱結(jié)構(gòu)在不同地震作用下的抗震性能，便于鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)；并且該設(shè)計(jì)方法的確能將結(jié)構(gòu)的位移控制在目標(biāo)位移之內(nèi)，但當(dāng)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防水準(zhǔn)提高時(shí)，需要增加構(gòu)件截面配筋或加大構(gòu)件截面尺寸。

陳靖[2]結(jié)合重慶永川山水林澗的別墅項(xiàng)目進(jìn)行分析研究，從動(dòng)力理論進(jìn)行抗震分析，采用彈性時(shí)程分析和彈塑性時(shí)程時(shí)程方法比較異形柱以及矩形柱框架結(jié)構(gòu)整體抗震的性能對(duì)比。通過(guò)有限元分析軟件為SATWE來(lái)計(jì)算數(shù)據(jù)，利用PKPM中PMCAD進(jìn)行模型的建立在多遇地震作用下的彈性時(shí)程分析，以及結(jié)合EPDA軟件在罕遇地震作用下的彈塑性時(shí)程分析的基礎(chǔ)上，驗(yàn)證異形柱結(jié)構(gòu)在抗震方面的性能要優(yōu)于矩形柱截面。

劉元帥[3]參考年西安建筑科技大學(xué)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停猛ㄟ^(guò)改變填充墻的布置和改變混凝土等級(jí)、柱軸壓比、梁柱線剛度比等結(jié)構(gòu)參數(shù)，共建立了個(gè)型鋼混凝土異形柱框架模型，利用SAP2000對(duì)所建模型進(jìn)行模態(tài)分析與彈塑性時(shí)程分析，通過(guò)模型分析得出各參數(shù)對(duì)型鋼混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)抗震的影響并對(duì)其進(jìn)行了模態(tài)分析和動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。將分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)某些參數(shù)的改變會(huì)對(duì)整體結(jié)構(gòu)的抗震性能產(chǎn)生影響。因此，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或工程施工時(shí)，參考分析所得的結(jié)論，充分考慮各種參數(shù)的影響，會(huì)使結(jié)構(gòu)更加安全可靠。

王慶花等[4]采用ANSYS有限元軟件對(duì)T形柱考慮配筋率和配筋方式進(jìn)行有限元非線性研究分析,建立兩組對(duì)比模型。對(duì)于T形異形柱的肢長(zhǎng)相同的情況下,異形柱的抗震能力還取決于內(nèi)部鋼筋的配置位置和配筋率的大小等關(guān)鍵因素。配筋率的高低不僅取決于鋼筋混凝土的最大和最小配筋率,在抗震性能上,研究出了更優(yōu)化的配筋率和配筋形式。

馬朝陽(yáng)[5]、李穎曄[6]和干鋼[7]等發(fā)現(xiàn)混凝土異形柱結(jié)構(gòu)體系在工程中常用到的主要有框架結(jié)構(gòu)和框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。通過(guò)結(jié)合工程實(shí)例，分別采用SATWE、TAT程序,對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)中的異形柱按柱輸入和按墻輸入兩種情況進(jìn)行了抗震分析。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)體系,宜采用兩種不同計(jì)算模型的軟件進(jìn)行計(jì)算,以便校核，對(duì)截面設(shè)計(jì)及框架節(jié)點(diǎn)處抗震構(gòu)造措施進(jìn)行控制和加強(qiáng)。

在國(guó)外，1972 年美國(guó)人Joaguin Marin[8]首次對(duì) L形柱進(jìn)行了受力分析，此后 MKawakami[9]、Yau.S.l.Chan[10]等人對(duì)異形柱構(gòu)件進(jìn)行了的研究，為后來(lái)的異形柱發(fā)展提供了的參考數(shù)據(jù)。

二、有待研究問(wèn)題

異形柱具有良好的抗震性能，但隨著建筑高度和建筑形式的不斷增加，對(duì)其受力性能和異形柱截面形狀也提出了更高的要求。通過(guò)總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀認(rèn)為尚有以下問(wèn)題有待深入研究與完善：

(1)異形柱截面應(yīng)該形式多樣，目前的研究限于T、L、十字截面形狀或特定工程中的截面形狀及構(gòu)造研究，對(duì)于廣泛截面形狀及構(gòu)造的異形柱在不同況下的性能研究仍有待深入。

(2)異形截面柱的理論計(jì)算方法仍需結(jié)合更多的模型試驗(yàn)深化研究,為今后的工程提高更多參考和指導(dǎo)。

[1]崔喜田.鋼筋混凝土異形柱結(jié)構(gòu)基于性能—位移的抗震研究[D].河北工程大學(xué),2013.

[2]陳靖.鋼筋混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)的抗震分析[D].重慶交通大學(xué),2013.

[3]劉元帥.型鋼混凝土異形柱框架結(jié)構(gòu)抗震分析[D].中南大學(xué),2013.

[4]王慶花,傅鳴春,郭錳.異形框架柱結(jié)構(gòu)中T形柱抗震性能分析[J].低溫建筑技術(shù),2011,(04):88-90.

[5]馬朝陽(yáng),謝朝霞.異形柱結(jié)構(gòu)不同計(jì)算模型抗震分析[J].浙江建筑,2007,(08):21-22+29.

[6]李穎曄.不同計(jì)算模型對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)體系抗震分析的影響[J].安徽建筑,2007,(04):92+100.

[7]干鋼.不同計(jì)算模型對(duì)異形柱結(jié)構(gòu)體系抗震分析的影響[J].浙江建筑,2001,(S1):28-29.

[8]Joaguin Marin.Displacement～Based seismic Design of BuildingsApplic ation.Engineering Structures,1972,22:210-221.

[9]M.Kawakami.A simplified model for analysis and design of asymmetric-plan buildings[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1995,24:573-594.

[10]Yau.S.l.Chan.Displacement～Based.eismic.esign.of.Buildings-Theory.EngineeringStructures,2000,22:201-209.

張夢(mèng)芽(1993—)，女，漢族，河北石家莊人，在讀研究生，華北理工大學(xué)，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。