混凝土网格式框架抗侧性能影响因素分析

刘　阳，张华刚，吴　琴，方　强

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003)



混凝土网格式框架抗侧性能影响因素分析

刘阳，张华刚*，吴琴，方强

(贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳 550003)

网格式框架是在框架基础上由边柱、楼层梁、中柱和层间梁正交构成,本文对其考虑梁、柱刚度的影响，采用有限元分析方法进行抗侧性能分析。结果表明：与框架结构相比，中柱和层间梁的设置可以使结构内力分布更加均匀，有效降低结构内力峰值和提高结构抗侧刚度；提高边柱和中柱刚度可以有效改善结构的抗侧刚度，但边柱刚度的提高对中柱和层间梁内力变化梯度的影响较小，而中柱刚度提高可以降低楼层梁和边柱的弯曲内力，但对层间梁内力变化梯度的影响不大；相对于柱刚度的变化，楼层梁和层间梁刚度改变分别对其余构件内力的改善意义不大，对结构抗侧刚度的提高作用相对较弱。

网格式框架；抗侧性能；影响因素；有限元方法；参数分析

网格式框架是在框架基础上增设中柱和层间梁而形成的密柱密梁框架结构[1]，它与现浇磷石膏墙形成组合墙，应用于实际工程中，可以实现工业磷废渣的资源化利用、缓解磷化工企业对环境造成的污染，具有较好的技术经济指标，可以实现节能与结构一体化[2]。

作为现浇磷石膏-混凝土网格式框架组合墙的主要承重骨架，结构在静载作用下的性能是网格式框架的基本性能。黄宗辉等开展了竖向静载作用下网格式框架的静力弹性分析，讨论了密柱密梁刚度等因素对结构内力分布的影响[3]；秦冬冬等对网格式框架进行了静力弹塑形推覆分析，讨论了结构塑性铰出现的顺序和结构的薄弱环节，表明网格式框架具有较好的抗震性能[4]；卢亚琴等进行了网格式框架1/5缩尺模型低周水平往复荷载试验，表明结构的抗震性能介于框架结构和剪力墙之间[5]。由于网格式框架由小截面梁柱组成，框架平面外刚度较弱，应用于高层建筑时不能忽略其稳定问题，张华刚等开展了网格式框架的整体稳定分析，提出了具有较高精度的临界荷载计算表达式[6]。上述研究工作对推动网格式框架的工程应用是有益的。

对高层建筑而言，水平荷载参与的工况往往是结构设计的主控制工况，因此有必要讨论网格式框架在水平荷载作用下的受力性能。本文以单层网格式框架为研究对象，采用静力有限元分析方法，考虑柱刚度和梁刚度的影响进行结构参数化建模计算，讨论网格式框架在水平荷载作用下的抗侧刚度和内力变化特点，以期为这种结构的工程应用提供参考。

1　水平荷载作用下网格式框架的内力分布特点

直观分析，在框架中设置中柱将减小框架梁的计算跨度，设置层间横梁后可对框架柱提供平面内的侧向支撑，从而减小框架柱的计算长度。因此与普通框架相比，网格式框架的内力分布将更加均匀，中柱和层间横梁将有效降低框架梁、柱的内力峰值，并有效提高框架的抗侧刚度。

采用有限元方法，本文对网格式框架和普通框架进行对比分析，网格式框架如图1所示，每个网格的梁柱均划分为10个空间梁单元，计算时全部柱脚节点嵌固，柱顶施加P=200 kN的水平集中荷载。混凝土材料弹性模量为Ec=2.55×104N/mm2，泊松比为0.2，内力计算结果如图2所示。仅将网格式框架的中柱和层间梁取消，在同等条件下进行普通框架内力计算，结果如图3所示。

图1　算例基本情况

图2　网格式框架内力图

图3　普通框架内力图

可见相对于普通框架，柱顶水平荷载作用下，网格式框架楼层梁的弯矩峰值降低约50%、剪力峰值降低约10%；边柱的柱顶弯矩和剪力峰值均降低约50%、柱脚弯矩和剪力峰值均降低约25%；网格式框架的侧移约为普通框架侧移的37.7%。因此加密框架网格是有利于改善框架内力分布、提高其抗侧能力的。

2　网格式框架抗侧性能影响因素的参数化分析

2.1算例基本情况

基于图1所示的网格布置，本文保持网格式框架的厚度为250 mm，通过调整梁柱截面的其他边长来考虑构件刚度对网格式框架抗侧刚度和内力分布的影响，各构件的截面示意如图4，计算单元为空间梁单元，材料参数、荷载条件和支座约束情况同前一节，由前一节的分析，选取内力峰值出现的截面为构件内力的考察截面，截面编号如图1。

图4　构件截面示意图

2.2边柱刚度的影响

中柱、楼层梁和层间梁的截面尺寸如图1所示，改变边柱的截面高度h共计算了9个算例，边柱的截面高度h基于200 mm且以100 mm为增量增加至1000 mm，结构顶部侧移及控制截面内力绝对值的计算结果如图5所示。随着边柱截面高度的增加，结构顶部侧移迅速减小，边柱截面高度由h=200 mm增至h=1000 mm时，结构顶部侧移由6.2 mm降至1.2 mm，因此提高边柱截面刚度可有效提高网格式框架的抗侧刚度。

图5　边柱刚度的影响

总体而言，边柱刚度的改变对中柱和层间梁内力变化梯度的影响较小，其中弯曲内力随边柱刚度增加而降低，而轴力总体呈增长趋势，边柱刚度对边柱自身和楼层梁的内力峰值影响较大，边柱弯曲内力随边柱刚度的增加而增长，而轴力呈下降趋势，而楼层梁的弯曲内力以柱梁线刚度之比2.9为分界线，柱梁线刚度之比进一步加大时，楼层梁的弯曲内力呈下降趋势。

2.3中柱刚度的影响

在图1所示算例基础上，仅改变中柱截面宽度b计算了9个算例，侧移及内力绝对值的计算结果如图6所示。

图6　中柱刚度的影响

结构顶部侧移随中柱刚度的增加而降低，当b=200 mm时，柱顶侧移为3.7 mm，当b=1000 mm时，柱顶侧移为0.9 mm，降低约76%。增加中柱刚度，楼层梁和边柱控制截面的弯曲内力均呈下降趋势，楼层梁的轴力变化梯度不大，而边柱轴力下降，层间梁的弯曲内力和轴力变化较平缓，改变中柱刚度将明显改变其弯曲内力，而对其轴力影响较小。

2.4楼层梁刚度的影响

基于图1所示算例仅改变楼层梁截面高度进行有限元计算，12个算例的结构顶部侧移及控制截面的内力绝对值结果如图7所示。

图7　楼层梁刚度的影响

楼层梁截面高度h=200 mm时，结构顶部侧移为4.9 mm，顶部侧移随着楼层梁截面高度的增加而降低，当楼层梁截面高度h=800 mm，侧移为3.3 mm，降低约32.7%。提高楼层梁刚度除了对楼层梁自身的弯曲内力有明显影响外，对其余构件的内力影响较小，楼层梁截面高度过大时，将使楼层梁处于深梁受力状态。

2.5层间梁刚度的影响

在图1所示算例基础上保持其余构件截面尺寸不变，改变层间梁截面高度共计算了12个算例，结构顶部侧移及控制截面的内力绝对值结果如图8所示。

图8　层间梁刚度的影响

层间梁截面高度h=200 mm时，结构顶部侧移为3.7 mm，当以50 mm为增量将层间梁截面高度渐变至h=750 mm时，结构顶部侧移为1.4 mm，降低约62.2%。增加层间梁截面高度，楼层梁内力略有降低，边柱弯矩略降而剪力和轴力略有增加，层间梁弯矩增加而剪力和轴力略有变化，结构中柱内力变化幅度较小，因此调整层间梁刚度对结构内力的改善意义不大。

3　结论

(1)在框架中增设中柱和层间梁而形成的网格式框架，可以使框架内力分布更均匀，并能有效降低框架的内力峰值、提高抗侧刚度。

(2)提高边柱刚度可以有效提高结构的抗侧

刚度，且对边柱和楼层梁内力峰值的影响较大，而对中柱和层间梁的内力变化梯度影响较小。

(3)提高中柱刚度可以降低楼层梁和边柱的弯曲内力，并能有效提高结构抗侧刚度，而层间梁的内力变化梯度较为平缓。

(4)相对于柱刚度的改变，增加楼层梁刚度对结构抗侧刚度的改善意义较弱，对边柱和中柱、层间梁内力峰值的改善意义不大。

(5)增加层间梁刚度对结构内力改善的意义不大。

[1] 马克俭，高国富，张华刚，等．空间网格式框架结构在多、高层大开间灵活划分房间石膏节能建筑中的研究与应用综述[J]．空间结构，2009，15(3)：66-84，65．

[2] 张华刚，梁凡凡，罗玚，等．基于现浇磷石膏的节能与结构一体化新型墙体结构及其应用[J]．贵州大学学报(自然科学版)，2013，30(1)：104-110．

[3] 黄宗辉，张华刚，吴琴，等．网格式框架在竖向荷载作用下的静力性能分析[J]．贵州大学学报(自然科学版)，2014，31(3)：82-85．

[4] 秦冬冬，张华刚，贾晓飞，等．网格式框架的静力弹塑性分析[J]．贵州大学学报(自然科学版)，2015，32(1)：98-102．

[5] 卢亚琴，胡岚，马克俭，等．新型RC网格式框架结构墙体试验研究[J]．湖南大学学报(自然科学版)，2013，40(4)：8-14．

[6] 张华刚，吴琴，宋玲玲，等．网格式框架的整体稳定分析[J]．空间结构，2015，21(2)：55-59．

(责任编辑：周晓南)

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

LIU Yang，ZHANG Huagang*，WU Qin，FANG 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

国家自然科学基金项目资助(51168008)

刘阳(1992-)，男，在读硕士，研究方向：新型建筑结构，Email：851414028@qq.com．

张华刚，Email：zhg0618@163.com．

TU311.1

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