基于有限元分析的异形柱结构抗震研究

张梦芽

(华北理工大学 河北 唐山 063000)

基于有限元分析的异形柱结构抗震研究

张梦芽

(华北理工大学 河北 唐山 063000)

随着经济的迅速发展和社会的不断进步，人们对住宅的要求不断提高，异形柱结构建筑大大提升了房间利用率，较好的满足了住户和房地产投资商的需求。钢筋混凝土异形柱结构体系具有良好的建筑功能，在住宅建筑中有广阔的发展前景。通过总结国内外研究人员对异形柱结构的抗震研究，发现大多采用有限元分析法，研究表明异形柱结构具有良好的抗震性能，但随着建筑高度和建筑形式的不断增加，对异形柱的受力性能和其截面形状也提出了更高的要求，有待在今后的学习中进行深入研究。

异形柱结构；抗震；有限元分析

引言

异形柱是指在满足结构刚度和承载力等要求的前提下，根据建筑使用功能，建筑设计布置的要求而采取不同几何形状截面的柱，诸如：T、L、Z、十字形等形状截面的柱，且截面各肢的肢高肢厚比不大于4的柱。异形柱各肢肢长，可能相等，或不相等，但提倡采用等肢异形柱。抗震设计时宜采用等肢异形柱，当不得不采用不等肢异形柱时，柱两肢的肢高比不宜超过1.6，且肢厚相差不大于50mm建筑界所讲的“异形柱”,特点是截面肢薄,由此引起构件性能与矩形柱性能的包括受力、变形、构造做法等一系列差异。制定规程主要是针对肢厚200mm、250mm的异形柱。

一、国内外研究现状

任何新的结构体系，需要科研人员的理论和试验研究与工程技术人员的工程实践相结合，才能使体系不断的发展和成熟。广大工程技术人员的设计工作主要依据规范和利用计算程序来进行结构设计。目前对异形柱结构方面的研究不断有所发展，对异形柱结构抗震性能的了解正在逐步深入，从而为异形柱结构的发展奠定了良好的科学试验与理论基础。

崔喜田[1]通过有限元分析软件SAP2000建立模型采用静力弹塑性分析方法，利用直接基于位移的抗震设计方法，通过对一个六层的钢筋混凝土异形柱结构在不同地震作用水平下具有不同的性能水平进行了抗震设计。结果表明，采用层间位移角作为异形柱结构性能水平的量化指标比较合理，能够有效地控制异形柱结构在不同地震作用下的抗震性能，便于钢筋混凝土异形柱结构进行抗震设计；并且该设计方法的确能将结构的位移控制在目标位移之内，但当结构的抗震设防水准提高时，需要增加构件截面配筋或加大构件截面尺寸。

陈靖[2]结合重庆永川山水林涧的别墅项目进行分析研究，从动力理论进行抗震分析，采用弹性时程分析和弹塑性时程时程方法比较异形柱以及矩形柱框架结构整体抗震的性能对比。通过有限元分析软件为SATWE来计算数据，利用PKPM中PMCAD进行模型的建立在多遇地震作用下的弹性时程分析，以及结合EPDA软件在罕遇地震作用下的弹塑性时程分析的基础上，验证异形柱结构在抗震方面的性能要优于矩形柱截面。

刘元帅[3]参考年西安建筑科技大学的试验模型，利用通过改变填充墙的布置和改变混凝土等级、柱轴压比、梁柱线刚度比等结构参数，共建立了个型钢混凝土异形柱框架模型，利用SAP2000对所建模型进行模态分析与弹塑性时程分析，通过模型分析得出各参数对型钢混凝土异形柱框架结构抗震的影响并对其进行了模态分析和动力弹塑性时程分析。将分析结果进行对比，发现某些参数的改变会对整体结构的抗震性能产生影响。因此，在进行结构设计或工程施工时，参考分析所得的结论，充分考虑各种参数的影响，会使结构更加安全可靠。

王庆花等[4]采用ANSYS有限元软件对T形柱考虑配筋率和配筋方式进行有限元非线性研究分析,建立两组对比模型。对于T形异形柱的肢长相同的情况下,异形柱的抗震能力还取决于内部钢筋的配置位置和配筋率的大小等关键因素。配筋率的高低不仅取决于钢筋混凝土的最大和最小配筋率,在抗震性能上,研究出了更优化的配筋率和配筋形式。

马朝阳[5]、李颖晔[6]和干钢[7]等发现混凝土异形柱结构体系在工程中常用到的主要有框架结构和框架—剪力墙结构。通过结合工程实例，分别采用SATWE、TAT程序,对异形柱结构中的异形柱按柱输入和按墙输入两种情况进行了抗震分析。分析结果发现，对异形柱结构体系,宜采用两种不同计算模型的软件进行计算,以便校核，对截面设计及框架节点处抗震构造措施进行控制和加强。

在国外，1972 年美国人Joaguin Marin[8]首次对 L形柱进行了受力分析，此后 MKawakami[9]、Yau.S.l.Chan[10]等人对异形柱构件进行了的研究，为后来的异形柱发展提供了的参考数据。

二、有待研究问题

异形柱具有良好的抗震性能，但随着建筑高度和建筑形式的不断增加，对其受力性能和异形柱截面形状也提出了更高的要求。通过总结国内外研究现状认为尚有以下问题有待深入研究与完善：

(1)异形柱截面应该形式多样，目前的研究限于T、L、十字截面形状或特定工程中的截面形状及构造研究，对于广泛截面形状及构造的异形柱在不同况下的性能研究仍有待深入。

(2)异形截面柱的理论计算方法仍需结合更多的模型试验深化研究,为今后的工程提高更多参考和指导。

[1]崔喜田.钢筋混凝土异形柱结构基于性能—位移的抗震研究[D].河北工程大学,2013.

[2]陈靖.钢筋混凝土异形柱框架结构的抗震分析[D].重庆交通大学,2013.

[3]刘元帅.型钢混凝土异形柱框架结构抗震分析[D].中南大学,2013.

[4]王庆花,傅鸣春,郭锰.异形框架柱结构中T形柱抗震性能分析[J].低温建筑技术,2011,(04):88-90.

[5]马朝阳,谢朝霞.异形柱结构不同计算模型抗震分析[J].浙江建筑,2007,(08):21-22+29.

[6]李颖晔.不同计算模型对异形柱结构体系抗震分析的影响[J].安徽建筑,2007,(04):92+100.

[7]干钢.不同计算模型对异形柱结构体系抗震分析的影响[J].浙江建筑,2001,(S1):28-29.

[8]Joaguin Marin.Displacement～Based seismic Design of BuildingsApplic ation.Engineering Structures,1972,22:210-221.

[9]M.Kawakami.A simplified model for analysis and design of asymmetric-plan buildings[J].Earthquake Engineering and Structural Dynamics,1995,24:573-594.

[10]Yau.S.l.Chan.Displacement～Based.eismic.esign.of.Buildings-Theory.EngineeringStructures,2000,22:201-209.

张梦芽(1993—)，女，汉族，河北石家庄人，在读研究生，华北理工大学，研究方向：结构工程。