荷載對某樓閣結構強度影響的有限元分析

荷載對某樓閣結構強度影響的有限元分析

本論文以結構受力計算為主要分析手段，運用ANSYS軟件來進行模擬，從基本的主體結構形式開始，建立樓閣的整體模型，對其施以相應的載荷，得到結構的受力情況，并提出該結構受力的發展趨勢，并且提出加固和優化措施。然后對樓閣重新進行分析，探討仿古建筑中薄弱部位受力的問題，并予以分析和解決。

現代建筑的施工工藝日趨完善，全國各地都有大量鋼筋混凝土仿古建筑在建造和修建。但仿古建筑的設計都是采用現代普通建筑的建筑規范，由于古代建筑與現代建筑結構形式有很大不同，現行規范對仿古建筑的適用性較差，目前為止對仿古建筑的研究止步于設計階段。限于我國建筑規范不是特別完善，仿古建筑沒有自己獨立的設計準則，本文在設計的基礎上作進一步的結構應力分析。這是仿古建筑的一個全新領域。

本文以某樓閣為藍本，對其進行受力分析，檢驗國家設計規范對仿古建筑的適用性，并在一般設計準則的基礎上提出更適用于仿古建筑的標準。該樓閣技術含量高，施工過程復雜，對它的研究可以推廣到其他古建筑。

荷載計算

已知閣樓的基本信息：

1.樓面均布活荷載標準值：1 KN/m2

2.樓面均布活荷載組合值系數Ψc=0.7

3.屋面均布活荷載標準值（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

5.風荷載體型系數：μS=1.3

6.基本風壓為：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：

一般層的計算：

兩者比較取大值S一般 = 6.1 KN/m2

頂層的計算：

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。

求解水平風荷載：

在求脈動增大系數時，要先算出ω0T12的大小。ω0是基本風壓，T1

根據下式求得：

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

所以 ω0T12= 0.45 ×（0.3464）2= 0.054

根據規范計算可得：

脈動增大系數ξ= 1.18

脈動影響系數ν= 0.79

然后依次算出每層的各個參數，匯總之后如表2所示。

表2　風荷載計算過程中的各種參數數值

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　施加水平風荷載

圖6　施加屋面與樓面荷載

由于該建筑是在非地震區，風荷載作用是高層建筑結構設計的最主要側向荷載，起著決定性的作用。但高層建筑的風荷載計算往往與實際情況相差很大，可能會引起較大的誤差，導致結構不安全，因此選擇作用在結構上的風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力變形與應力分布的變化情況。

用有限元分析樓閣的結構強度

為了利用計算機這一有利的計算工具進行結構所受應力的計算、首先對該結構采用位移法，將真實連續的結構用有限個僅在節點處相接的離散單元的組合體來代替，并使這些單元按變形協調條件相互聯系，形成結構離散化模型或有限元系統，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力等未知量。

具體步驟如下所示：

第一步，先設置參數和定義屬性。梁單元與殼單元的規格、尺寸和慣性矩如表3所示。

表3　單元規格

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果如圖3-6所示。

表4　所施加的荷載

第三步 得出計算結果。

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

圖7　X方向的應力云圖

圖8　Y方向的應力云圖

圖9　Z方向的應力云圖

圖10　第一主應力的云圖

圖11　第二主應力的云圖

圖12　第三主應力的云圖

表5　頂層特征點在三個方向的應力表（取前5）MPa

下表是結構頂層特征點的主應力表格。

表6　頂層特征點的主應力表格（取前5） MPa

表7　底兩層三個方向的應力表格（取前5） MPa

表8　底兩層三個主應力值的表格（取前5） MPa

表9　三層各方向的應力最值 MPa

表10　三層主應力的最值 MPa

通過X，Y，Z三個方向的應力云圖可以看出，X和Y方向的應力云圖呈現出樓板從外向里以圓環式遞減的應力分布，邊沿或角點處是應力最大的地方。但Z方向的應力云圖與X、Y方向的應力云圖有明顯區別，從上到下都是深色且應力值近似等于零。這是因為選取的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力情況。而第一、二、三主應力云圖雖然顏色上有著很大差異，但從數值以及顏色的變化趨勢上依然體現出樓板從外向里以圓環式遞減的應力分布。從主應力最值的表格中可以看出，每層的應力值是隨高度的增加而減小的。

結語

本文以某樓閣的主要框架結構為研究對象，通過ANSYS有限元法對其建立模型、施加荷載，并得出相應的數據以及應力關系圖，得出框架結構在菏載作用下的應力情況。

從圖中可以看出，圖案與建筑結構相似，呈現出較規律的對稱。其中梁的跨中部位與板的邊緣部位都出現了應力變大的情況。而建筑的樓板則呈現了從外向里以圓環式遞減的應力分布情況。從結點應力最值的表格中可以看出，建筑底層柱與板相連的角點處是應力最大的地方，也是該建筑最薄弱的地方。所以應在該處加以適當的鋼筋來確保建筑結構的穩定。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.016