武换娥

【摘要】本文应用ANSYS有限元软件中的实体模型对加层框架结构形式进行了静力有限元分析。

【关键词】ANSYS有限元模型；外套框架；地震作用

1.工程概况

本文以某一四层钢筋混凝土全框架结构为基准，在该建筑物上采用分离式外套框架结构加层法增加三层。该框架结构为内廊式四层钢筋混凝土全框架结构房屋，由于使用上的需要，决定在原有房屋上增加三层，同时使其外观得以改善。原框架结构为四层，总长为35.1m，寬为14.5m，高为12.8m。因原结构较低，拟采用分离式全框架加层结构的加层方案，且在二层以上加中柱。原结构平面图如图1所示。

图1 原结构平面图

2.模型几何参数的选取

梁、柱构件截面选取的原则是：考虑梁、柱构件的线刚度比是提高整个结构强度和稳定承载力的有效途径，同时考虑，构件截面尺寸、规格的选择在物尽其用、经济合理的前提下还应符合尽量统一、规整、方便施工的设计原则。参照这一原则，经过反复多次的调整，该工程梁、柱截面选取见表3.1。

表1 梁、柱截面尺寸

构件编号 截面尺寸（mm×mm）

Z（柱截面） 600×600

L1（底层梁） 1000×2000

L2（其余梁） 300×600

（3）模型物理参数的确定：

根据《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[1]，结合加层结构房屋的特殊性，本加层结构模型物理参数取为如下值：加层框架混凝土板采用 ，弹性模量 ，泊松比 ；梁、柱采用 ，弹性模量 ，泊松比 。

3.模型的建立

ANSYS静力分析模型采用实体结构模型，如下图：

图2 有限元模型

4.计算荷载及其工况组合情况

4.1 计算荷载

根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）[2]，荷载初始条件按以下标准取用：基本风压： ；基本雪压： ；屋面（不上人）恒荷载 ；楼面恒荷载： ；楼梯间恒荷载： ；屋面活荷载（不上人）： ；楼面活荷载： ；走廊楼梯活荷载： ；女儿墙自重： ；外墙体自重： ；内墙体自重： 。

4.2 计算工况说明

根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）[2]和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2002）[3]本文按以下三种工况组合值选取最不利值确定：

工况一：1.2×恒荷载+1.4×活荷载

工况二：1.2×恒荷载+1.4×0.9×（活荷载+风荷载）

工况三：1.2×恒荷载+1.3×水平地震作用

4.3 ANSYS计算加载方法

1）约束模型底部节点自由度；

2）梁、柱、楼板的自重，通过施加惯性荷载，结合已输入材料参数及实常数，程序自动记入；

3）楼面恒载通过施加面荷载到实体模型上，墙体及楼梯自重荷载简化为梁间线荷载，施加压力到梁单元上；

4）楼面、屋面活荷载同样通过施加面荷载到实体模型上；风荷载简化为柱间线荷载，施加压力到柱单元上；

5）地震作用考虑水平地震作用，简化为柱间线荷载，施加压力到柱单元上。对应不同荷载定义了多个载荷步文件，采用波前处理器进行求解[4]。

5.计算结果及分析

5.1 计算结果

图3.1 结构变形图 图3.2 总位移云图

图3.3 整体应力云图 图3.4 底层应力云图

图3 工况一作用下的结构的各种云图

工况一是恒荷载与竖向活荷载作用下的荷载工况组合。图3给出了在工况一作用下结构的变形和应力云图，从工况一作用下的结构变形和位移云图中可以看出：

1）采用实体单元建模时计算的底层大梁跨中挠度偏小，底层大梁跨中挠度为5.53mm。

2）底层柱呈现了较大的变形，呈现外凸状。底层柱顶弯曲明显，而上部柱子相对底层柱来说变形很小，几乎没有发生变形。

3）从图3.3和图3.4可以看出加层框架结构的最大应力出现在二层柱与底层梁板交接位置，尤其是边柱应力最大，最大值为 。

图4.1 结构变形图 图4.2 总位移云图

图4.3 整体应力云图 图4.4 底层应力云图

图4 工况三作用下的结构的各种云图

工况三是在水平地震作用和恒荷载作用下的荷载工况组合。图4给出了在工况三作用下结构的变形云图和应力云图。

1. 由于底层柱的柱高最高，抗侧移能力弱，从图3.9可以看出，地震作用效应显著，在此工况下虽然发生了竖向变形和水平侧移，但是以横向水平侧移为主，整个框架结构沿 方向的侧移较大，在水平荷载作用下，上部两层侧移最大，侧移值达到 。

2. 从图4查询得到在工况三作用下，结构的底层柱脚的应力最大，最大值达到 。

加层结构在工况二（恒荷载与活荷载和风荷载）作用下，其变形和应力介于工况一和工况三之间，在此未列出。

5.2 计算结果分析

（1）通过上述计算可知：

① 在工况一作用下挠度值为 。在工况一作用下结构的挠度值很小，在工况三作用下挠度值稍大一点，但是都不会与原建筑发生挤压碰撞破坏。

③ 在工况三作用下计算的侧移值为 。在工况三作用下加层结构在横向发生了侧移，故而在设计时宜适当加大原结构与新结构的间距。

（2）从结构内力图上可以看出，柱子的内力普遍较小，梁两端的内力较大，但都没有超过我国规范规定的设计限值。其中柱子的内力偏小的原因主要是柱截面偏大所造成的。

6.工程结论

通过对计算结果分析，可以得出下列结论：

（1）对于旧房加层改造这种特殊的结构形式，特别是对于加层层数不是很高的建筑物，全框架加层结构形式是比较合理的加层结构形式。

（2）适当的改变加层框架的柱截面，能够在一定程度上使得材料被充分利用，从而取得较好的经济效益。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准，混凝土结构设计规范GB 50010-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2] 中华人民共和国国家标准，建筑结构荷载规范GB 50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[3] 中华人民共和国行业标准，高层建筑混凝土结构技术规程JGJ 3-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[4] 江世永，地震动作用下即有建筑物柔性连接外套框架增层结构体系的控制分析[D].上海：同济大学博士学位论文，1994.