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摘要：框架体系的侧向受力性能是结构的重要力学指标。本文采用大型有限元分析软件，建立了多层钢筋混凝土框架结构的空间模型，对其侧向受力特征进行了仿真分析，为相关的工程建设提供参考。
关键词：框架结构；空间体系；有限元；侧向受力
中图分类号：B83文献标识码： A
引言对于工业厂房的钢筋混凝土结构而言，传统的平面框架结构分析法应用的较为常见，这一方法没有考虑到楼板与框架结构整体空间刚度的影响。作为结构设计人员，安全与经济是两个首要的考虑因素，在确保结构安全的基础上，更要保证其造价合理。对于复杂框架结构而言，只有真实的分析其结构受力性能，才能做到更精确化的工程设计思路，为更合理的工程方案提供技术保障。
1、框架结构空间受力体系的分析
作为空间结构体系，在工程设计中，为减少计算量，框架结构常简化为平面结构体系。平面结构的计算方法简便，如常见的弯矩分配法、D值法等。当结构层数及跨数增加时，手算耗费大量人力，通常采用软件化平面计算程序如pk、pm等。在确定简化计算图式时，结构纵横向的空间连接作用被忽略，抗扭作用取消。横向框架形式、荷载一致，间距相同，各榀抗侧刚度也相同，此时空间框架体系可简化为具有代表性的某榀框架进行结构分析。对于正交布置的结构体系，水平方向的受力由水平抗侧构件承担，垂直构件不参与工作。当抗侧构件与方向斜交时，可将抗侧刚度进行转换。这是平面结构体系的常见方式。
对于工业厂房来说，由于设备布设、走线等需要，结构的形式将变得更为复杂，错层、楼板大面积孔洞等形式时有存在，此时平面简化方法已经无法采用，否则体系的受力特性与实际偏差较大。为了更加真实的反应复杂空间结构的整体受力特性，基于整体模型的有限元分析将被采用，通过建立整体的结构分析模型，包括错层、孔洞、不同楼板厚度参数等，均可以在模型中得到准确体现，荷载作用下的结构受力与实际状况更为符合。
2、厂房框架的有限元模型
采用ANSYS有限元分析法进行厂房框架结构整体建模时，为分析的精确性，框架结构中的梁、板、柱构件，通常采用三维实体单位，常见的如SOLID45 3-D，每个单元由八个节点组成，每个节点对应有整体坐标下对应的三个位移自由度。SOLID45单元可以模拟复杂受力状况下的性能，该单元包含了塑性、蠕变、应力硬化、大变形以及大应变分析。本次研究框架侧向受力性能，结构处于线弹性阶段，钢筋未屈服，钢筋与混凝土的整体连接性好，因此，为简化模型，忽略钢筋作用。
SOLID45单元的实常数采用系统默认值，混凝土材料特性中泊松比可取O.2。混凝土强度等级为C30，C25混凝土弹性模量取3.00x104N/mm2，体密度位25kN/m3。这里所选取的框架为4层错层结构，部分楼面无楼板。模型的几何参数按实际尺寸输入。通过ANSYS前处理模块，结构实体模型如图1示意。
框架结构侧向荷载考虑为水平集中力，为与实际受力一致，实际施加的是局部面荷载。为保证模型底部在水平力作用下不滑移，即底部水平面在横纵两个方向受到约束，无x、Y方向的位移，也无转动。
3、水平荷载作用下框架结构的受力性能分析
3.1 不同荷载作用位置下侧向位移的对比
水平位移是结构侧向刚度的线性反应，通过在框架顶部施加水平力以了解侧向受力状况。在横向框架顶部不同节点位置施加10kN的水平荷载，观察侧向水平位移值，分布结果如图2。由图可知，不同荷载作用下侧向位移随高度呈线性增加趋势，且相同荷载作用于边框时，各框架水平位移差距较大，中框架位移相比减少20-40%，这是由于边框侧向约束少，刚度相对较小的原因造成的。由于边框有侧向框架及楼板的整体连接剛度，相比于无任何约束的单榀框架而言，位移要低不少。因此，只有加强框架侧向约束，可有效提高空间抗侧刚度，减少侧向水平位移。
3.2 楼板厚度对框架空间整体性的影响
为分析楼板厚度对框架结构的约束影响，在ANSYS模型中改变厚度参数来观察分析结果。在KJ-3边框顶部施加10kN的水平荷载，比较KJ-3顶柱上竖向应变大小。板的厚度按0mm、5mm、10mm、20mm和30mm进行变化，对应的应变数值分别为45、24、16、16、16（微应变），板厚对空间作用有一定的显著影响，当无板时，对应应变最大，影响最大，但是当板达到一定厚度时，影响会很小，此时楼板具备了足够的整体刚度，可以将框架上的水平力均匀的传递到各梁柱抗侧构件上，因此合适的板厚有利于空间作用，板厚不应过小而太薄弱，也不应过大而造成浪费。很明显，板发挥了传递水平力的作用，是形成框架结构空间整体性的重要构件。
3.3 跨数对框架空间整体性的影响
对于某榀框架而言，由于单侧或双层侧向框架的存在，形成空间整体结构，能相互分担水平荷载，因此可以通过增加跨数来了解其对框架空间性能的影响。建模时，考虑三种工况：（1）仅仅KJ-3框架结构；（2）三框架的原模型；（3）两侧各增加一榀框架，其他条件不变，在KJ-3边框顶部施加10kN的水平荷载，三种不同工况下KJ-3顶柱竖向应变分别为85、31、18（微应变），KJ-3顶梁应变分别为35、16、9（微应变）。由此可知，框架侧向约束构件对构件应变影响较大，通过增加侧向框架，空间整体性显著提高。
综合来看，跨数对框架结构的空间性能影响最为显著。对于边框架而言，水平抗侧力主要由自身和端部的两榀框架承担，单侧每增加一榀框架，对应构件的应变可相应减少10-30%左右。对于中间框架而言，由于两端均有约束，空间整体性强，水平力可以传递到所有框架上，每增加一榀框架，对应构件的应变可减少30-50％左右。
4、结论
借助有限元分析软件，通过改变不同参数来了解水平荷载作用下框架结构的空间性能，可明确各因素对其影响程度，但是空间作用相对复杂，无法对各影响因素进行量化和公式化，而且建立模型时进行了相对的简化，使得计算结果与实际情况存在一定的偏差，只有加强细化模型的完善，同时借助模型试验作为仿真分析的有效补充。
参考文献：
1、龚曙光，ANSYS基础应用及范例解析【M】，北京：机械工业出版社，2003．
2、李宏男，多层及高层建筑结构设计【M】，北京：地震出版社，2002
关键词：框架结构；空间体系；有限元；侧向受力
中图分类号：B83文献标识码： A
引言对于工业厂房的钢筋混凝土结构而言，传统的平面框架结构分析法应用的较为常见，这一方法没有考虑到楼板与框架结构整体空间刚度的影响。作为结构设计人员，安全与经济是两个首要的考虑因素，在确保结构安全的基础上，更要保证其造价合理。对于复杂框架结构而言，只有真实的分析其结构受力性能，才能做到更精确化的工程设计思路，为更合理的工程方案提供技术保障。
1、框架结构空间受力体系的分析
作为空间结构体系，在工程设计中，为减少计算量，框架结构常简化为平面结构体系。平面结构的计算方法简便，如常见的弯矩分配法、D值法等。当结构层数及跨数增加时，手算耗费大量人力，通常采用软件化平面计算程序如pk、pm等。在确定简化计算图式时，结构纵横向的空间连接作用被忽略，抗扭作用取消。横向框架形式、荷载一致，间距相同，各榀抗侧刚度也相同，此时空间框架体系可简化为具有代表性的某榀框架进行结构分析。对于正交布置的结构体系，水平方向的受力由水平抗侧构件承担，垂直构件不参与工作。当抗侧构件与方向斜交时，可将抗侧刚度进行转换。这是平面结构体系的常见方式。
对于工业厂房来说，由于设备布设、走线等需要，结构的形式将变得更为复杂，错层、楼板大面积孔洞等形式时有存在，此时平面简化方法已经无法采用，否则体系的受力特性与实际偏差较大。为了更加真实的反应复杂空间结构的整体受力特性，基于整体模型的有限元分析将被采用，通过建立整体的结构分析模型，包括错层、孔洞、不同楼板厚度参数等，均可以在模型中得到准确体现，荷载作用下的结构受力与实际状况更为符合。
2、厂房框架的有限元模型
采用ANSYS有限元分析法进行厂房框架结构整体建模时，为分析的精确性，框架结构中的梁、板、柱构件，通常采用三维实体单位，常见的如SOLID45 3-D，每个单元由八个节点组成，每个节点对应有整体坐标下对应的三个位移自由度。SOLID45单元可以模拟复杂受力状况下的性能，该单元包含了塑性、蠕变、应力硬化、大变形以及大应变分析。本次研究框架侧向受力性能，结构处于线弹性阶段，钢筋未屈服，钢筋与混凝土的整体连接性好，因此，为简化模型，忽略钢筋作用。
SOLID45单元的实常数采用系统默认值，混凝土材料特性中泊松比可取O.2。混凝土强度等级为C30，C25混凝土弹性模量取3.00x104N/mm2，体密度位25kN/m3。这里所选取的框架为4层错层结构，部分楼面无楼板。模型的几何参数按实际尺寸输入。通过ANSYS前处理模块，结构实体模型如图1示意。
框架结构侧向荷载考虑为水平集中力，为与实际受力一致，实际施加的是局部面荷载。为保证模型底部在水平力作用下不滑移，即底部水平面在横纵两个方向受到约束，无x、Y方向的位移，也无转动。
3、水平荷载作用下框架结构的受力性能分析
3.1 不同荷载作用位置下侧向位移的对比
水平位移是结构侧向刚度的线性反应，通过在框架顶部施加水平力以了解侧向受力状况。在横向框架顶部不同节点位置施加10kN的水平荷载，观察侧向水平位移值，分布结果如图2。由图可知，不同荷载作用下侧向位移随高度呈线性增加趋势，且相同荷载作用于边框时，各框架水平位移差距较大，中框架位移相比减少20-40%，这是由于边框侧向约束少，刚度相对较小的原因造成的。由于边框有侧向框架及楼板的整体连接剛度，相比于无任何约束的单榀框架而言，位移要低不少。因此，只有加强框架侧向约束，可有效提高空间抗侧刚度，减少侧向水平位移。
3.2 楼板厚度对框架空间整体性的影响
为分析楼板厚度对框架结构的约束影响，在ANSYS模型中改变厚度参数来观察分析结果。在KJ-3边框顶部施加10kN的水平荷载，比较KJ-3顶柱上竖向应变大小。板的厚度按0mm、5mm、10mm、20mm和30mm进行变化，对应的应变数值分别为45、24、16、16、16（微应变），板厚对空间作用有一定的显著影响，当无板时，对应应变最大，影响最大，但是当板达到一定厚度时，影响会很小，此时楼板具备了足够的整体刚度，可以将框架上的水平力均匀的传递到各梁柱抗侧构件上，因此合适的板厚有利于空间作用，板厚不应过小而太薄弱，也不应过大而造成浪费。很明显，板发挥了传递水平力的作用，是形成框架结构空间整体性的重要构件。
3.3 跨数对框架空间整体性的影响
对于某榀框架而言，由于单侧或双层侧向框架的存在，形成空间整体结构，能相互分担水平荷载，因此可以通过增加跨数来了解其对框架空间性能的影响。建模时，考虑三种工况：（1）仅仅KJ-3框架结构；（2）三框架的原模型；（3）两侧各增加一榀框架，其他条件不变，在KJ-3边框顶部施加10kN的水平荷载，三种不同工况下KJ-3顶柱竖向应变分别为85、31、18（微应变），KJ-3顶梁应变分别为35、16、9（微应变）。由此可知，框架侧向约束构件对构件应变影响较大，通过增加侧向框架，空间整体性显著提高。
综合来看，跨数对框架结构的空间性能影响最为显著。对于边框架而言，水平抗侧力主要由自身和端部的两榀框架承担，单侧每增加一榀框架，对应构件的应变可相应减少10-30%左右。对于中间框架而言，由于两端均有约束，空间整体性强，水平力可以传递到所有框架上，每增加一榀框架，对应构件的应变可减少30-50％左右。
4、结论
借助有限元分析软件，通过改变不同参数来了解水平荷载作用下框架结构的空间性能，可明确各因素对其影响程度，但是空间作用相对复杂，无法对各影响因素进行量化和公式化，而且建立模型时进行了相对的简化，使得计算结果与实际情况存在一定的偏差，只有加强细化模型的完善，同时借助模型试验作为仿真分析的有效补充。
参考文献：
1、龚曙光，ANSYS基础应用及范例解析【M】，北京：机械工业出版社，2003．
2、李宏男，多层及高层建筑结构设计【M】，北京：地震出版社，2002