荷載對(duì)某樓閣結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響的有限元分析

本論文以結(jié)構(gòu)受力計(jì)算為主要分析手段，運(yùn)用ANSYS軟件來(lái)進(jìn)行模擬，從基本的主體結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始，建立樓閣的整體模型，對(duì)其施以相應(yīng)的載荷，得到結(jié)構(gòu)的受力情況，并提出該結(jié)構(gòu)受力的發(fā)展趨勢(shì)，并且提出加固和優(yōu)化措施。然后對(duì)樓閣重新進(jìn)行分析，探討仿古建筑中薄弱部位受力的問(wèn)題，并予以分析和解決。

現(xiàn)代建筑的施工工藝日趨完善，全國(guó)各地都有大量鋼筋混凝土仿古建筑在建造和修建。但仿古建筑的設(shè)計(jì)都是采用現(xiàn)代普通建筑的建筑規(guī)范，由于古代建筑與現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)形式有很大不同，現(xiàn)行規(guī)范對(duì)仿古建筑的適用性較差，目前為止對(duì)仿古建筑的研究止步于設(shè)計(jì)階段。限于我國(guó)建筑規(guī)范不是特別完善，仿古建筑沒(méi)有自己獨(dú)立的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，本文在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。這是仿古建筑的一個(gè)全新領(lǐng)域。

本文以某樓閣為藍(lán)本，對(duì)其進(jìn)行受力分析，檢驗(yàn)國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)仿古建筑的適用性，并在一般設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上提出更適用于仿古建筑的標(biāo)準(zhǔn)。該樓閣技術(shù)含量高，施工過(guò)程復(fù)雜，對(duì)它的研究可以推廣到其他古建筑。

荷載計(jì)算

已知閣樓的基本信息：

1.樓面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：1 KN/m2

2.樓面均布活荷載組合值系數(shù)Ψc=0.7

3.屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m2）

⑴不上人的屋面：0.5 ； ⑵上人的屋面：2.0

4.地面粗糙度為B類(lèi)

5.風(fēng)荷載體型系數(shù)：μS=1.3

6.基本風(fēng)壓為：0.45 KN/m2

7.建筑每層的高度（M）：

表1　建筑層高

8. 建筑的總寬度：B= 15M

9.鋼筋砼密度為26 KN/m3

求解豎向荷載：

一般層的計(jì)算：

兩者比較取大值S一般 = 6.1 KN/m2

頂層的計(jì)算：

兩者比較取大值S頂= 1.9 KN/m2

所以一般層的樓面荷載取6.1 KN/m2，頂層的屋面荷載取1.9 KN/m2。

求解水平風(fēng)荷載：

在求脈動(dòng)增大系數(shù)時(shí)，要先算出ω0T12的大小。ω0是基本風(fēng)壓，T1

根據(jù)下式求得：

所以 T1= 0.25 + 0.53 ×10-3（21.18）2/= 0.3464

所以 ω0T12= 0.45 ×（0.3464）2= 0.054

根據(jù)規(guī)范計(jì)算可得：

脈動(dòng)增大系數(shù)ξ= 1.18

脈動(dòng)影響系數(shù)ν= 0.79

然后依次算出每層的各個(gè)參數(shù)，匯總之后如表2所示。

表2　風(fēng)荷載計(jì)算過(guò)程中的各種參數(shù)數(shù)值

圖1　泊松比與彈性模量

圖2　材料密度

圖3　施加約束

圖4　加自重

圖5　施加水平風(fēng)荷載

圖6　施加屋面與樓面荷載

由于該建筑是在非地震區(qū)，風(fēng)荷載作用是高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最主要側(cè)向荷載，起著決定性的作用。但高層建筑的風(fēng)荷載計(jì)算往往與實(shí)際情況相差很大，可能會(huì)引起較大的誤差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不安全，因此選擇作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載一般都采用最不利的荷載模式。所以本文是研究了閣樓在最不利荷載作用下的應(yīng)力變形與應(yīng)力分布的變化情況。

用有限元分析樓閣的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

為了利用計(jì)算機(jī)這一有利的計(jì)算工具進(jìn)行結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力的計(jì)算、首先對(duì)該結(jié)構(gòu)采用位移法，將真實(shí)連續(xù)的結(jié)構(gòu)用有限個(gè)僅在節(jié)點(diǎn)處相接的離散單元的組合體來(lái)代替，并使這些單元按變形協(xié)調(diào)條件相互聯(lián)系，形成結(jié)構(gòu)離散化模型或有限元系統(tǒng)，然后引入位移邊界條件，求解方程組得基本未知量，然后由基本未知量求得應(yīng)力等未知量。

具體步驟如下所示：

第一步，先設(shè)置參數(shù)和定義屬性。梁?jiǎn)卧c殼單元的規(guī)格、尺寸和慣性矩如表3所示。

表3　單元規(guī)格

泊松比、彈性模量如圖1所示；材料密度如圖2所示。

第二步 建立模型與施加約束條件

所施加的荷載如表4所示；模型建立與約束條件施加的結(jié)果如圖3-6所示。

表4　所施加的荷載

第三步 得出計(jì)算結(jié)果。

圖7-9是結(jié)構(gòu)的X、Y、Z三方向的應(yīng)力云圖；圖10-12是結(jié)構(gòu)第一、二、三的主應(yīng)力云圖；表5-8分別是頂層與底兩層的應(yīng)力及主應(yīng)力表格；表9與10分別是各層三方向應(yīng)力的最值表與各層主應(yīng)力的最值表。

圖7　X方向的應(yīng)力云圖

圖8　Y方向的應(yīng)力云圖

圖9　Z方向的應(yīng)力云圖

圖10　第一主應(yīng)力的云圖

圖11　第二主應(yīng)力的云圖

圖12　第三主應(yīng)力的云圖

表5　頂層特征點(diǎn)在三個(gè)方向的應(yīng)力表（取前5）MPa

下表是結(jié)構(gòu)頂層特征點(diǎn)的主應(yīng)力表格。

表6　頂層特征點(diǎn)的主應(yīng)力表格（取前5） MPa

表7　底兩層三個(gè)方向的應(yīng)力表格（取前5） MPa

表8　底兩層三個(gè)主應(yīng)力值的表格（取前5） MPa

表9　三層各方向的應(yīng)力最值 MPa

表10　三層主應(yīng)力的最值 MPa

通過(guò)X，Y，Z三個(gè)方向的應(yīng)力云圖可以看出，X和Y方向的應(yīng)力云圖呈現(xiàn)出樓板從外向里以圓環(huán)式遞減的應(yīng)力分布，邊沿或角點(diǎn)處是應(yīng)力最大的地方。但Z方向的應(yīng)力云圖與X、Y方向的應(yīng)力云圖有明顯區(qū)別，從上到下都是深色且應(yīng)力值近似等于零。這是因?yàn)檫x取的beam4單元和shell63單元都是平面單元，所以不考慮在豎直方向上的應(yīng)力情況。而第一、二、三主應(yīng)力云圖雖然顏色上有著很大差異，但從數(shù)值以及顏色的變化趨勢(shì)上依然體現(xiàn)出樓板從外向里以圓環(huán)式遞減的應(yīng)力分布。從主應(yīng)力最值的表格中可以看出，每層的應(yīng)力值是隨高度的增加而減小的。

結(jié)語(yǔ)

本文以某樓閣的主要框架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，通過(guò)ANSYS有限元法對(duì)其建立模型、施加荷載，并得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)以及應(yīng)力關(guān)系圖，得出框架結(jié)構(gòu)在菏載作用下的應(yīng)力情況。

從圖中可以看出，圖案與建筑結(jié)構(gòu)相似，呈現(xiàn)出較規(guī)律的對(duì)稱(chēng)。其中梁的跨中部位與板的邊緣部位都出現(xiàn)了應(yīng)力變大的情況。而建筑的樓板則呈現(xiàn)了從外向里以圓環(huán)式遞減的應(yīng)力分布情況。從結(jié)點(diǎn)應(yīng)力最值的表格中可以看出，建筑底層柱與板相連的角點(diǎn)處是應(yīng)力最大的地方，也是該建筑最薄弱的地方。所以應(yīng)在該處加以適當(dāng)?shù)匿摻顏?lái)確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.016