不规则钢筋混凝土与网架组合结构中有限元分析的应用

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【摘要】通过对网架和钢筋混凝土组合结构的中型剧院在MIDASA/GEN软件中进行静力荷载、风荷载及地震作用下的结构应变、应力分析，以及不同阻尼比结构的联合计算和支座约束情况模拟，为不规则钢筋混凝土和网架组合建筑结构设计提供一种可行的分析方法。

【关键词】组合结构；体型复杂；组阻尼；应力分析；变形分析；MIDAS；有限元法

1 引言

目前我国建筑设计院对网架和钢筋混凝土组合结构一般采用分开计算，内力传递的方法进行设计。但仅仅只是通过支座处内力的传递来进行设计整体设计，对组合结构的阻尼比变化，周期变化还有不同工况下的应力组合都不能通过模型较为准确的反映出真实的结构特征。因此计算产生的结果就可能会有较大误差，进而造成浪费或者形成安全隐患。

MIDAS/Gen是针对建筑及土木结构通用的结构分析与优化设计软件，同时可以做结构抗震分析、施工阶段分析、非线性边界分析、水化热分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析。本文通过MIDAS/Gen对网架和钢筋混凝土组合结构在风荷载、地震作用下的结构应力、变形分析的应用，使有限元分析工具在建筑结构设计中使用的更加广泛。

2 工程概况

本项目位于甘肃省定西市，建筑物长49.50米，宽29.20米，高14.70米，室内外高差1.80米，长宽比1.70，高宽比0.50，主体采用钢筋混凝土框架结构，局部错层，屋盖采用正放四角锥平板网架，网架支座采用平板压力支座。图1：模型轴测图。

定西市地震烈度为7度，地震加速度0.15g，场地类型为Ⅱ类，设计地震分组为第三组，基本风压W0=0.30KN/。

3 应力及变形分析

MIDAS/Gen建模过程中，混凝土梁、柱均采用梁单元类型，楼板采用板单元，网架杆件采用桁架单元。网架的支座类型为平板压力支座，支座在网架平面内有一定的转动自由度，因此对边界条件重新定义，释放平面外转动约束。

3.1 组阻尼比计算

钢筋混凝土结构的阻尼比为0.05，网架结构的阻尼比为0.02，MIDAS/Gen提供不同阻尼比结构在同一个建筑结构中的组合阻尼比的计算方法。常用方法为应变能比例法，用以计算出在各不同振型下对应的组合阻尼比。本项目中各振型下组合阻尼比见图2：不同振型下的组阻尼。

在水平地震影响下最大位移为24.7mm ，最大位移点位置为局部突出屋面。由图2、图3可以看出，竖向单排柱变形仅小于顶部屋面位移，为20.9mm。网架与钢筋混凝土单排柱在水平方向形成了排架系统，使两侧单排框架协调变形，降低了的平面外位移。但是在单排框架顶部与网架连接部位仍然有较大的位移量。

根据位移等值线图，网架支座下部水平连系梁应进一步增大刚度，提高整体性。

3.3 水平地震作用下应力分析

在水平地震影响下梁单元最大应力值为20.4N/mm2，应力分布较为均匀，无应力突变位置。在局部突出屋面梁单元应力较大，加大截面以减少位移量和应力值。

单排框架与主体连接的端跨位置水平连系梁应力较大，应对此部位梁加强设计。

3.4 竖向荷载作用下变形、应力分析

由图5、图6，网架最大变形为42.3mm，满足网架挠度要求。在竖向荷载影响下，钢筋混凝土梁、板式楼盖系统变形和应力值均在合理范围之内。

网架支座处由网架传递的变形和应力均较小，单排钢筋混凝土柱的截面尺寸主要以满足网架平板压力支座构造确定。

平板网架的平面内刚度较好，在水平地震影响下无明显变形和应力变化，应尽可能