混凝土網(wǎng)格式框架抗側(cè)性能影響因素分析

劉　陽，張華剛，吳　琴，方　強(qiáng)

(貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽 550003)

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混凝土網(wǎng)格式框架抗側(cè)性能影響因素分析

劉陽，張華剛*，吳琴，方強(qiáng)

(貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽 550003)

網(wǎng)格式框架是在框架基礎(chǔ)上由邊柱、樓層梁、中柱和層間梁正交構(gòu)成,本文對其考慮梁、柱剛度的影響，采用有限元分析方法進(jìn)行抗側(cè)性能分析。結(jié)果表明：與框架結(jié)構(gòu)相比，中柱和層間梁的設(shè)置可以使結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布更加均勻，有效降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力峰值和提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度；提高邊柱和中柱剛度可以有效改善結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，但邊柱剛度的提高對中柱和層間梁內(nèi)力變化梯度的影響較小，而中柱剛度提高可以降低樓層梁和邊柱的彎曲內(nèi)力，但對層間梁內(nèi)力變化梯度的影響不大；相對于柱剛度的變化，樓層梁和層間梁剛度改變分別對其余構(gòu)件內(nèi)力的改善意義不大，對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的提高作用相對較弱。

網(wǎng)格式框架；抗側(cè)性能；影響因素；有限元方法；參數(shù)分析

網(wǎng)格式框架是在框架基礎(chǔ)上增設(shè)中柱和層間梁而形成的密柱密梁框架結(jié)構(gòu)[1]，它與現(xiàn)澆磷石膏墻形成組合墻，應(yīng)用于實(shí)際工程中，可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)磷廢渣的資源化利用、緩解磷化工企業(yè)對環(huán)境造成的污染，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化[2]。

作為現(xiàn)澆磷石膏-混凝土網(wǎng)格式框架組合墻的主要承重骨架，結(jié)構(gòu)在靜載作用下的性能是網(wǎng)格式框架的基本性能。黃宗輝等開展了豎向靜載作用下網(wǎng)格式框架的靜力彈性分析，討論了密柱密梁剛度等因素對結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響[3]；秦冬冬等對網(wǎng)格式框架進(jìn)行了靜力彈塑形推覆分析，討論了結(jié)構(gòu)塑性鉸出現(xiàn)的順序和結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，表明網(wǎng)格式框架具有較好的抗震性能[4]；盧亞琴等進(jìn)行了網(wǎng)格式框架1/5縮尺模型低周水平往復(fù)荷載試驗(yàn)，表明結(jié)構(gòu)的抗震性能介于框架結(jié)構(gòu)和剪力墻之間[5]。由于網(wǎng)格式框架由小截面梁柱組成，框架平面外剛度較弱，應(yīng)用于高層建筑時不能忽略其穩(wěn)定問題，張華剛等開展了網(wǎng)格式框架的整體穩(wěn)定分析，提出了具有較高精度的臨界荷載計(jì)算表達(dá)式[6]。上述研究工作對推動網(wǎng)格式框架的工程應(yīng)用是有益的。

對高層建筑而言，水平荷載參與的工況往往是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主控制工況，因此有必要討論網(wǎng)格式框架在水平荷載作用下的受力性能。本文以單層網(wǎng)格式框架為研究對象，采用靜力有限元分析方法，考慮柱剛度和梁剛度的影響進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模計(jì)算，討論網(wǎng)格式框架在水平荷載作用下的抗側(cè)剛度和內(nèi)力變化特點(diǎn)，以期為這種結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用提供參考。

1　水平荷載作用下網(wǎng)格式框架的內(nèi)力分布特點(diǎn)

直觀分析，在框架中設(shè)置中柱將減小框架梁的計(jì)算跨度，設(shè)置層間橫梁后可對框架柱提供平面內(nèi)的側(cè)向支撐，從而減小框架柱的計(jì)算長度。因此與普通框架相比，網(wǎng)格式框架的內(nèi)力分布將更加均勻，中柱和層間橫梁將有效降低框架梁、柱的內(nèi)力峰值，并有效提高框架的抗側(cè)剛度。

采用有限元方法，本文對網(wǎng)格式框架和普通框架進(jìn)行對比分析，網(wǎng)格式框架如圖1所示，每個網(wǎng)格的梁柱均劃分為10個空間梁單元，計(jì)算時全部柱腳節(jié)點(diǎn)嵌固，柱頂施加P=200 kN的水平集中荷載。混凝土材料彈性模量為Ec=2.55×104N/mm2，泊松比為0.2，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果如圖2所示。僅將網(wǎng)格式框架的中柱和層間梁取消，在同等條件下進(jìn)行普通框架內(nèi)力計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

圖1　算例基本情況

圖2　網(wǎng)格式框架內(nèi)力圖

圖3　普通框架內(nèi)力圖

可見相對于普通框架，柱頂水平荷載作用下，網(wǎng)格式框架樓層梁的彎矩峰值降低約50%、剪力峰值降低約10%；邊柱的柱頂彎矩和剪力峰值均降低約50%、柱腳彎矩和剪力峰值均降低約25%；網(wǎng)格式框架的側(cè)移約為普通框架側(cè)移的37.7%。因此加密框架網(wǎng)格是有利于改善框架內(nèi)力分布、提高其抗側(cè)能力的。

2　網(wǎng)格式框架抗側(cè)性能影響因素的參數(shù)化分析

2.1算例基本情況

基于圖1所示的網(wǎng)格布置，本文保持網(wǎng)格式框架的厚度為250 mm，通過調(diào)整梁柱截面的其他邊長來考慮構(gòu)件剛度對網(wǎng)格式框架抗側(cè)剛度和內(nèi)力分布的影響，各構(gòu)件的截面示意如圖4，計(jì)算單元為空間梁單元，材料參數(shù)、荷載條件和支座約束情況同前一節(jié)，由前一節(jié)的分析，選取內(nèi)力峰值出現(xiàn)的截面為構(gòu)件內(nèi)力的考察截面，截面編號如圖1。

圖4　構(gòu)件截面示意圖

2.2邊柱剛度的影響

中柱、樓層梁和層間梁的截面尺寸如圖1所示，改變邊柱的截面高度h共計(jì)算了9個算例，邊柱的截面高度h基于200 mm且以100 mm為增量增加至1000 mm，結(jié)構(gòu)頂部側(cè)移及控制截面內(nèi)力絕對值的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。隨著邊柱截面高度的增加，結(jié)構(gòu)頂部側(cè)移迅速減小，邊柱截面高度由h=200 mm增至h=1000 mm時，結(jié)構(gòu)頂部側(cè)移由6.2 mm降至1.2 mm，因此提高邊柱截面剛度可有效提高網(wǎng)格式框架的抗側(cè)剛度。

圖5　邊柱剛度的影響

總體而言，邊柱剛度的改變對中柱和層間梁內(nèi)力變化梯度的影響較小，其中彎曲內(nèi)力隨邊柱剛度增加而降低，而軸力總體呈增長趨勢，邊柱剛度對邊柱自身和樓層梁的內(nèi)力峰值影響較大，邊柱彎曲內(nèi)力隨邊柱剛度的增加而增長，而軸力呈下降趨勢，而樓層梁的彎曲內(nèi)力以柱梁線剛度之比2.9為分界線，柱梁線剛度之比進(jìn)一步加大時，樓層梁的彎曲內(nèi)力呈下降趨勢。

2.3中柱剛度的影響

在圖1所示算例基礎(chǔ)上，僅改變中柱截面寬度b計(jì)算了9個算例，側(cè)移及內(nèi)力絕對值的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6　中柱剛度的影響

結(jié)構(gòu)頂部側(cè)移隨中柱剛度的增加而降低，當(dāng)b=200 mm時，柱頂側(cè)移為3.7 mm，當(dāng)b=1000 mm時，柱頂側(cè)移為0.9 mm，降低約76%。增加中柱剛度，樓層梁和邊柱控制截面的彎曲內(nèi)力均呈下降趨勢，樓層梁的軸力變化梯度不大，而邊柱軸力下降，層間梁的彎曲內(nèi)力和軸力變化較平緩，改變中柱剛度將明顯改變其彎曲內(nèi)力，而對其軸力影響較小。

2.4樓層梁剛度的影響

基于圖1所示算例僅改變樓層梁截面高度進(jìn)行有限元計(jì)算，12個算例的結(jié)構(gòu)頂部側(cè)移及控制截面的內(nèi)力絕對值結(jié)果如圖7所示。

圖7　樓層梁剛度的影響

樓層梁截面高度h=200 mm時，結(jié)構(gòu)頂部側(cè)移為4.9 mm，頂部側(cè)移隨著樓層梁截面高度的增加而降低，當(dāng)樓層梁截面高度h=800 mm，側(cè)移為3.3 mm，降低約32.7%。提高樓層梁剛度除了對樓層梁自身的彎曲內(nèi)力有明顯影響外，對其余構(gòu)件的內(nèi)力影響較小，樓層梁截面高度過大時，將使樓層梁處于深梁受力狀態(tài)。

2.5層間梁剛度的影響

在圖1所示算例基礎(chǔ)上保持其余構(gòu)件截面尺寸不變，改變層間梁截面高度共計(jì)算了12個算例，結(jié)構(gòu)頂部側(cè)移及控制截面的內(nèi)力絕對值結(jié)果如圖8所示。

圖8　層間梁剛度的影響

層間梁截面高度h=200 mm時，結(jié)構(gòu)頂部側(cè)移為3.7 mm，當(dāng)以50 mm為增量將層間梁截面高度漸變至h=750 mm時，結(jié)構(gòu)頂部側(cè)移為1.4 mm，降低約62.2%。增加層間梁截面高度，樓層梁內(nèi)力略有降低，邊柱彎矩略降而剪力和軸力略有增加，層間梁彎矩增加而剪力和軸力略有變化，結(jié)構(gòu)中柱內(nèi)力變化幅度較小，因此調(diào)整層間梁剛度對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的改善意義不大。

3　結(jié)論

(1)在框架中增設(shè)中柱和層間梁而形成的網(wǎng)格式框架，可以使框架內(nèi)力分布更均勻，并能有效降低框架的內(nèi)力峰值、提高抗側(cè)剛度。

(2)提高邊柱剛度可以有效提高結(jié)構(gòu)的抗側(cè)

剛度，且對邊柱和樓層梁內(nèi)力峰值的影響較大，而對中柱和層間梁的內(nèi)力變化梯度影響較小。

(3)提高中柱剛度可以降低樓層梁和邊柱的彎曲內(nèi)力，并能有效提高結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度，而層間梁的內(nèi)力變化梯度較為平緩。

(4)相對于柱剛度的改變，增加樓層梁剛度對結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的改善意義較弱，對邊柱和中柱、層間梁內(nèi)力峰值的改善意義不大。

(5)增加層間梁剛度對結(jié)構(gòu)內(nèi)力改善的意義不大。

[1] 馬克儉，高國富，張華剛，等．空間網(wǎng)格式框架結(jié)構(gòu)在多、高層大開間靈活劃分房間石膏節(jié)能建筑中的研究與應(yīng)用綜述[J]．空間結(jié)構(gòu)，2009，15(3)：66-84，65．

[2] 張華剛，梁凡凡，羅玚，等．基于現(xiàn)澆磷石膏的節(jié)能與結(jié)構(gòu)一體化新型墻體結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用[J]．貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，30(1)：104-110．

[3] 黃宗輝，張華剛，吳琴，等．網(wǎng)格式框架在豎向荷載作用下的靜力性能分析[J]．貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，31(3)：82-85．

[4] 秦冬冬，張華剛，賈曉飛，等．網(wǎng)格式框架的靜力彈塑性分析[J]．貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，32(1)：98-102．

[5] 盧亞琴，胡嵐，馬克儉，等．新型RC網(wǎng)格式框架結(jié)構(gòu)墻體試驗(yàn)研究[J]．湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，40(4)：8-14．

[6] 張華剛，吳琴，宋玲玲，等．網(wǎng)格式框架的整體穩(wěn)定分析[J]．空間結(jié)構(gòu)，2015，21(2)：55-59．

(責(zé)任編輯：周曉南)

Influence Factor Analysis of the Anti Side Performance of Concrete Frame Structure

LIU Yang，ZHANG Huagang*，WU Qin，F(xiàn)ANG Qiang

(Space Structure Research Center，Guizhou University，Guiyang 550003, China)

The frame is composed of a side column, a floor beam, a middle column and a floor beam. In this paper, considering its influence on beam and column stiffness, the finite element method was used to analyze the lateral。 The results show that compared with the frame structure, column and interlayer beam settings can make the internal force distribution more uniform, effectively reduce the internal force peak and improve the lateral stiffness of the structure; improve the side column and the column stiffness can effectively improve the lateral stiffness of the structure, but increasing the rigidity of the side column has little effect on the column of layer and gradient beam internal force changes, while the column stiffness can reduce the bending force of floor beams and columns, but have little effect on the interlaminar deformation of beams with variable gradient change; relative to the stiffness, floor beams and interlayer stiffness change respectively to the rest of the internal force of improving meaningful role to improve the lateral stiffness of the structure is relatively weak.

mesh format frame; lateral stiffness; influence factor; finite element method; parameter analysis

1000-5269(2016)02-0102-04

10.15958/j.cnki.gdxbzrb.2016.02.23

2015-12-10

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51168008)

劉陽(1992-)，男，在讀碩士，研究方向：新型建筑結(jié)構(gòu)，Email：851414028@qq.com．

張華剛，Email：zhg0618@163.com．

TU311.1

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