某仿古建筑结构受力的有限元分析

某仿古建筑结构受力的有限元分析

以某杜甫临江阁为研究对象，对该仿古建筑进行结构分析。简化建筑结构，运用有限元软件建模，得到各层和整体的力学模型，对模型施加荷载，计算出结构内力，得到在各种荷载下结构的受力、变形、位移等变化特征。结果表明，该建筑的结构设计满足承载力要求，但某些部位需要加固处理。以上结果可为同等条件下仿古建筑的设计提供理论上的依据。

工程概况

本文以某杜甫临江阁为研究对象，研究的建筑类型为仿古建筑。结构类型属于现浇钢筋混凝土框架结构，建筑面积为3800平方米，高19.5米，设计使用年限为100年，结构安全等级为二级，结构重要性系数取1.1。屋顶由玻璃瓦铺设，隔墙用非承重砌体空心砖MU5填充，砂浆等级为M5；纵向受力钢筋采用的是HRB335，箍筋采用HPB235。梁、板、柱均现浇。

楼阁整体看去呈锥形，这与外围叠柱逐层内收有关。插柱就是叠柱的一种形式，斗拱连接处相对薄弱。即使在仿古建筑中斗拱内核的钢筋混凝土童柱仍较下部的檐柱细得多。所以各层外围的檐柱都不是主要承力柱，它仅承担外檐自重。此江阁各层平面都是对称的矩形，布局简单实用，更重要的是对称结构的刚度分布均匀。通过查阅规范，得到风荷载的相关信息如图表1所示。

表1 结构设计风荷载信息

表2 各层详述

建立模型

该建筑每层的详细信息如表2所示，并以此为基础建立有限元模型。

第一层建模如图1所示。在进行竖向荷载布置时将墙体（门和窗户的位置进行减除）布置在梁上。此层布置吊顶及地砖，总体布置成对称结构。

第二层建模如图2所示。此层层高为4.2米并且布置吊顶及地砖，内部墙体的布置与一层不同，总体布置成对称结构。

第三层建模如图3所示。此层层高为3.6米并且布置吊顶及地砖，内部墙体的布置与二层相同。

第四层建模如图4所示。此层层高为3.6米并且只布置吊顶无地砖，但是此层无檐柱设置，内部墙体的布置与第三

层相同。

第五层建模如图5所示。此层层高为3.6米，在进行竖向荷载计算时，因为是屋顶故把屋顶的力集中于楼板上进行简化，结构与第四层不同。

最终建立了建筑的整体模型，其三维图形如图6所示。

图1 一层结构平面图

图2 二层结构平面图

图3 三层结构平面图

图4 四层结构平面图

图5 五层结构平面图

图6 整楼模型

图7 一层楼板荷载布置

图8 一层楼板导荷方式

图9 恒载作用下弯矩图

施加荷载

楼板的荷载布置及导荷方式以一层为例，如图7所示，括号内为布置的活荷载大小。由于该建筑楼板多为双向板，故采用梯形三角形方式导荷更为准确。一层导荷方式如图8所示。

有限元分析

竖向荷载作用下的有限元分析

以3－3轴为例，通过有限元软件分析，得到梁与柱弯矩图如图9所示，竖向荷载作用下结构变形如图10所示。

在每层结构中，梁的弯矩大小由中跨的梁向两边递减，因此结构中间的受力明显比周围要大得多，在该类建筑设计时要合理增加中跨梁的配筋。在3－3轴线中，弯矩与剪力值均随楼层的增高而降低，符合实际情况。整体结构在竖向荷载作用下受力比较均匀，承载力均满足要求，但结构中部无墙的梁受力较大，这是以后在设计和加固中应注意的重点。

风载作用下的有限元分析

该建筑位于非抗震区，承受的水平荷载主要是风荷载。基本假设是在水平荷载作用下忽略刚架的节点转角。对于有节点位移的刚架，如果梁的线刚度比柱的线刚度大得多，则在水平荷载作用下，节点侧移是主要位移，而节点转角是次要位移。在这种假设的情况下，不仅能保证计算的准确性，还将使计算大为简化。以3－3轴为例用有限元软件分析，得到的X风荷载作用下梁与柱弯矩图如图11所示，X向风荷载作用下结构变形如图12所示。

整体结构在X向风荷载作用下，第三、四及五层的梁、柱等构件内力值处于较高水平，原因是该建筑物比较高且迎风

面积较大；但是结构位移校验满足要求。由结构位移图可见，第四及第五层的部分结构位移较大，在今后的加固修复过程中应注意，在类似建筑的设计中也应注意加强该处抗侧刚度。

根据软件计算结果可以直接得到以下图形：风载作用下X与Y方向的最大弯矩值如图13所示；风载作用下X与Y方向的最大位移如图14所示；风荷载作用下X与Y方向的剪力值如图15所示；荷载作用下X与Y方向的最大层间位移角如图16所示；风荷载作用下X与Y方向的最大反应力如图17所示。

图表结果表明，楼层最大弯矩和楼层最大剪力均出现在一层，且都是随着层高增加而减小，符合实际情况。在前面的计算中得出，该结构最大弯矩小于结构倾覆弯矩，结构安全。该结构最大水平位移为0.9mm，最大层间位移为1.9mm，最大层间位移角为1/8299＜1/550，层间位移角均满足抗震规范第5.5.1条要求。二层出现较大风荷载反应力的情况，应注意加强结构底部的构件来提高抗剪承载力和抗弯承载力。

图10 恒载作用的结构变形

图11 风载作用下的弯矩图

图12 X向风荷载作用结构变形

图13 风载作用下的最大弯矩值

图14 风载作用下的最大位移

图15 风载作用下的剪力值

图16 风载作用下的层间位移角

图17 风载作用下的最大反应力

总结

在选择工程方面，我选取了具有代表意义的杜甫临江阁做为研究对象。通过模型的建立，对结构进行了多方面的分析，在竖向荷载作用下，位于中间部位的柱子受力最大，在中部无墙的梁受力较大，但均校验合格，在以后加固中应重点注意。在仿古建筑的设计中，尽量遵循对称的结构形式，因为对称结构的刚度分布均匀，使得结构的受力和变形也比较均匀，正常荷载下不会发生突变，能够保证建筑的正常使用和结构的安全。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.20.015