异形柱在实际工程中应用的有限元分析

异形柱在实际工程中应用的有限元分析

刘振民俞家欢

刘振民俞家欢

摘要：目的近年来,型钢混凝土异形柱框架结构发展迅速,并在高层建筑设计中广泛应用。但是，目前，国内外对型钢混凝结构的研究多集中于基本构件的力学行为，而对型钢混凝土框架这种结构体系所做的地震反应动力分析从理论和实验上说都比较少。方法基于这一点，本文运用有限元软件不但对型钢混凝土异形柱构件的受力性能进行数值仿真分析，而且采用时程分析法对型钢混凝土框架结构进行了地震响应分析。结论并对钢筋混凝土异形柱（简称RC）和型钢混凝土异形柱（简称SRC）进行建模，然后施加相同条件的竖向荷载，分析在加入型钢前后，异形柱的承载力，荷载-位移曲线以及荷载-应力曲线的变化情况，从而得出相应的结论。

关键词：型钢混凝土异形柱；轴心受压承载力；地震响应分析

随着现代建筑技术的不断发展和对建筑性能要求的日益提高，当今的高层建筑形式日趋多样化和复杂化，各种结构形式层出不穷,呈现出百花齐放的形态。这些复杂多变的结构形式的出现,往往给结构分析带来较大的困难。目前，有限元分析软件ANSYS已经广泛的应用于土木工程领域，它为高层复杂建筑的研究提供了一个很好的平台，全三维有限元模型作为分析复杂结构的强有力的工具越来越被广泛地采用。本文结合工程实例介绍了该方法的具体应用

一.异形柱在实际工程中的应用

本算例为沈阳市一实际结构，该工程为一大型综合性公共建筑，工程总建筑面积4.7万平方米(图4-1)。建筑高度81.4米，地上19层，Ⅱ类场地土，7级烈度设防。建筑主体为混凝土框架剪力墙结构，建筑平面尺寸为112m×18.9m。主体部分混凝土剪力墙主要分布于楼梯间和电梯间。由于建筑功能的要求，在底部三层以内，没有楼板，从而形成较大的空间，这样底部三层全部采用钢骨钢筋混凝土异形柱结构，整体又形成了SRC-RC框架结构。在进行本文中计算时，为简单起见，一些结构构件进行了归并调整。结构所有框架梁均为RC梁。大多数框架柱为RC柱，只有1-3层的异形柱为SRC柱。型钢混凝土柱均选用C60的混凝土，混凝土弹性模量E取,质量密度为。钢材弹性模量E取，质量密度为。本章主要对本框架空间结构的静力及动力特性进行有限元分析。

1.1模型建立

2.2.2加速度时程曲线

在实际工程计算中，地震波输入通常采用三种方法:即选取观测有地震记录、根据场地类型等参数人造地震波及模拟地震波形。而对于观测有地震波记录的选取又有两种:一种是对典型实际地震记录进行修正，使其地震影响系数曲线与规范的地震影响系数曲线在统计意义上相符；一种是通过一定的方法在大量的地震记录中选取一些满足规范要求的地震记录，以供时程分析之用。

典型的过去实际地震记录是指类似于拟建场地状况场地上的实际地震记录。如Ⅰ类场地上的松潘、滦河地震记录，Ⅱ类场地上的EI-Centro、Taft和天津波记录，Ⅲ、Ⅳ类场地上的宁河地震记录等。考虑到不同的地震波对结构产生影响差异很大，故选择使用典型的过去强震记录时应保证一定数量并应充分考虑地震动三要素(振幅、频谱特性、震动持续时间)。

本文鉴于本工程场地卓越周期不大，并且地基土为Ⅱ类场地土，按7度地震设防,根据上述选波原则，本文时程分析采用埃尔森特罗波(El-Cenrt)，其卓越周期约0.45～0.55S(相当于Ⅱ类场地土、8级烈度设防)，地震的输入持续时间选为5秒。根据上节对结构自振周期的计算，沿结构弱轴Y方向加地面加速度(地震波施加方向如图4-17所示)，地面加速度时程曲线如图4-18所示。整个过程通过有限元求解程序进行计算，通过后处理程序观察结构在给定基底加速度作用下的动力响应。提取部分顶层角点作为关键控制节点，其位置如图4-16所示，将各点y方向的时间历程曲线组合后如图4-19所示

从各点y方向位移时程曲线图中可以看出y方向各点的时间历程曲线趋势也基本相同,并在2.6秒时最大位移值是+0.15m，2.2秒最大位移值是-0.15m。但是，相对地面加速度的时程曲线来说，结构层位移峰值出现的时刻要滞后于地震波出现峰值对应的时刻(t=2s)，这主要是由于结构在地震作用下进入弹塑性状态，结构周期变长，从而使得反应滞后

2.2.3对模型进行加载并对位移分析

由上图可以看出：地震作用下，结构楼层的位移随着层数的增加而增大，最大位移为150mm，发生在19层。而层间最大位移为14mm,出现在第四层，这表明第四层为薄弱层。这是由于本结构第四层到顶层都是由截面一致的受力构件组成，当有外荷载时，它们的变形均匀一致；而为了增大开间及净高尺寸，结构的底部三层局部是由型钢混凝土异形柱组成，其强度刚度均比正常截面的钢筋混凝土柱大，并且当有外荷载时，它们的变形不一致。因此，地震作用下结构的底部第四层层间位移较大

参考文献

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