水平荷载下框架空间作用试验研究与建模分析

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从结构分析的角度来看,任何一个建筑结构都是空间结构,各部分相互联系形成一个整体,来承受来自不同方向的荷载作用,结构中的每个构件都与不在同一平面内的其他构件相连系,形成三维的传力体系。框架结构采用梁柱组成结构体系作为竖向承重结构,同时承受水平荷载,也是一个空间受力体系。正是由于纵横向框架与楼板形成的紧密空间联系使得框架结构具有较强的空间作用,也正是这种空间作用使得框架结构整体性好,受力合理,提高结构的延性改善其抗震性能,同时使框架结构充分发挥其建筑形式丰富多样,布置灵活、满足各种使用功能的特点。 在实际工程设计计算中,对于框架结构,为了计算简捷方便,常常假设实际作用方向不确定的风荷载及地震荷载主要作用在结构的主轴方向,对互相正交的两个主轴方向进行内力分析;忽略结构纵向和横向之间的空间联系,忽略各构件的抗扭作用,将纵向框架和横向框架分别按平面框架进行分析计算,并假定框架平面内刚度可以足够抵抗在自身平面内的侧向力,而在平面外刚度很小,可以忽略。因此,整个结构可以划分为若干个平面结构,共同抵抗与平面结构平行的侧向荷载,垂直于该平面方向的结构不参加受力;楼板在自身平面内刚度无穷大,在平面外的刚度很小,可以忽略不计。结构设计时常取最有代表性的一榀框架进行平面结构的计算分析即可。但这并不意味着其中的空间作用尚无或可忽略不计,相反恰恰表明有关空间作用的分析计算都相当复杂,有待进一步研究。 目前,作为一般工业建筑的厂房及多层民用建筑承重体系的钢筋混凝土框架结构,依然采用传统的平面框架结构分析的设计方法,未能考虑楼板和框架结构的空间连接刚度形成的空间作用影响。作为结构设计人员,应尽可能地解决好结构安全性与经济性之间的矛盾,即在优先保证结构安全的原则下,使结构工程造价经济合理,即实现结构的安全度的最大化和相应经济效益的最优化,这两者在今后的结构设计中应该是相辅相成,而不是顾此失彼的。因此有必要对框架结构的空间作用进行研究,为工程设计找出行之有效的方法。近几年来,有些工程开始采用了空间结构计算的设计方法,但从相关资料来看,其空间效应仅简单地用楼面水平支撑模拟楼面的水平刚度,或采用各种计算机语言的有限元程序进行计算,其计算结果缺乏相应的理论分析及相应的试验验证;另一方面,国内外有关此类空间作用的问题研究较少,且几乎只局限于传统的砌体结构以及单层工业厂房,研究内容多数倾向于地震作用下的结构有别于平面分析时的动力特性,而有关多层框架空间作用研究未涉及。针对此问题作者完成了水平荷载作用下多层框架模型的静力试验研究,实测各榻框架在水平荷载作用下受力情况并采用ANSYS实体建模计算分析,其理论计算值与试验值相近。从试验结果与ANSYS计算比较分析中,对多层钢筋混凝土框架结构的空间作用进行初步研究,认为通过模型试验,辅助以有限元分析软件是研究框架乃至其它结构形式空间作用的主要手段,为相关的工程建设提供参考,为更系统、更广泛地研究空间作用打下基础。
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