某仿古建筑結(jié)構(gòu)受力的有限元分析

以某杜甫臨江閣為研究對(duì)象，對(duì)該仿古建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。簡(jiǎn)化建筑結(jié)構(gòu)，運(yùn)用有限元軟件建模，得到各層和整體的力學(xué)模型，對(duì)模型施加荷載，計(jì)算出結(jié)構(gòu)內(nèi)力，得到在各種荷載下結(jié)構(gòu)的受力、變形、位移等變化特征。結(jié)果表明，該建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足承載力要求，但某些部位需要加固處理。以上結(jié)果可為同等條件下仿古建筑的設(shè)計(jì)提供理論上的依據(jù)。

工程概況

本文以某杜甫臨江閣為研究對(duì)象，研究的建筑類型為仿古建筑。結(jié)構(gòu)類型屬于現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑面積為3800平方米，高19.5米，設(shè)計(jì)使用年限為100年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。屋頂由玻璃瓦鋪設(shè)，隔墻用非承重砌體空心磚MU5填充，砂漿等級(jí)為M5；縱向受力鋼筋采用的是HRB335，箍筋采用HPB235。梁、板、柱均現(xiàn)澆。

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

表1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載信息

表2 各層詳述

建立模型

該建筑每層的詳細(xì)信息如表2所示，并以此為基礎(chǔ)建立有限元模型。

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

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(nèi)部墻體的布置與一層不同，總體布置成對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

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(nèi)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(shè)置，內(nèi)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(jìn)行豎向荷載計(jì)算時(shí)，因?yàn)槭俏蓓敼拾盐蓓數(shù)牧杏跇前迳线M(jìn)行簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)平面圖

圖2 二層結(jié)構(gòu)平面圖

圖3 三層結(jié)構(gòu)平面圖

圖4 四層結(jié)構(gòu)平面圖

圖5 五層結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)荷方式以一層為例，如圖7所示，括號(hào)內(nèi)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(dǎo)荷更為準(zhǔn)確。一層導(dǎo)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(jié)構(gòu)變形如圖10所示。

在每層結(jié)構(gòu)中，梁的彎矩大小由中跨的梁向兩邊遞減，因此結(jié)構(gòu)中間的受力明顯比周圍要大得多，在該類建筑設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)際情況。整體結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下受力比較均勻，承載力均滿足要求，但結(jié)構(gòu)中部無墻的梁受力較大，這是以后在設(shè)計(jì)和加固中應(yīng)注意的重點(diǎn)。

風(fēng)載作用下的有限元分析

該建筑位于非抗震區(qū)，承受的水平荷載主要是風(fēng)荷載?；炯僭O(shè)是在水平荷載作用下忽略剛架的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角。對(duì)于有節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)側(cè)移是主要位移，而節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角是次要位移。在這種假設(shè)的情況下，不僅能保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，還將使計(jì)算大為簡(jiǎn)化。以3－3軸為例用有限元軟件分析，得到的X風(fēng)荷載作用下梁與柱彎矩圖如圖11所示，X向風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)變形如圖12所示。

整體結(jié)構(gòu)在X向風(fēng)荷載作用下，第三、四及五層的梁、柱等構(gòu)件內(nèi)力值處于較高水平，原因是該建筑物比較高且迎風(fēng)

面積較大；但是結(jié)構(gòu)位移校驗(yàn)滿足要求。由結(jié)構(gòu)位移圖可見，第四及第五層的部分結(jié)構(gòu)位移較大，在今后的加固修復(fù)過程中應(yīng)注意，在類似建筑的設(shè)計(jì)中也應(yīng)注意加強(qiáng)該處抗側(cè)剛度。

根據(jù)軟件計(jì)算結(jié)果可以直接得到以下圖形：風(fēng)載作用下X與Y方向的最大彎矩值如圖13所示；風(fēng)載作用下X與Y方向的最大位移如圖14所示；風(fēng)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(fēng)荷載作用下X與Y方向的最大反應(yīng)力如圖17所示。

圖表結(jié)果表明，樓層最大彎矩和樓層最大剪力均出現(xiàn)在一層，且都是隨著層高增加而減小，符合實(shí)際情況。在前面的計(jì)算中得出，該結(jié)構(gòu)最大彎矩小于結(jié)構(gòu)傾覆彎矩，結(jié)構(gòu)安全。該結(jié)構(gòu)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(guī)范第5.5.1條要求。二層出現(xiàn)較大風(fēng)荷載反應(yīng)力的情況，應(yīng)注意加強(qiáng)結(jié)構(gòu)底部的構(gòu)件來提高抗剪承載力和抗彎承載力。

圖10 恒載作用的結(jié)構(gòu)變形

圖11 風(fēng)載作用下的彎矩圖

圖12 X向風(fēng)荷載作用結(jié)構(gòu)變形

圖13 風(fēng)載作用下的最大彎矩值

圖14 風(fēng)載作用下的最大位移

圖15 風(fēng)載作用下的剪力值

圖16 風(fēng)載作用下的層間位移角

圖17 風(fēng)載作用下的最大反應(yīng)力

總結(jié)

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(duì)象。通過模型的建立，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(yàn)合格，在以后加固中應(yīng)重點(diǎn)注意。在仿古建筑的設(shè)計(jì)中，盡量遵循對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式，因?yàn)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)的剛度分布均勻，使得結(jié)構(gòu)的受力和變形也比較均勻，正常荷載下不會(huì)發(fā)生突變，能夠保證建筑的正常使用和結(jié)構(gòu)的安全。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.20.015