问题描述:
一地下管廊结构(图1),由框架单元和壳单元组成。其中侧壁施加了侧向土压力,框架上施加了相应的节点荷载(图2),板底用面弹簧来模拟地基基础协调变形。
图1:地下管廊结构模型
图2:框架上的节点荷载(恒载工况)
该模型运行分析后发现,恒载作用下,框架柱的柱顶轴压力大,柱底轴压力小(图3,以32号框架柱为例),这是为什么?
图3:恒载作用下,32号框架柱的柱底(0m处)和柱顶(3.35m处)轴力
解答:
该框架柱的轴力“上大下小”是因为墙和柱的协调变形。可以用一个更简化的例子来说明:图4为一面墙,墙体用壳单元模拟,墙居中位置布置一框架柱,在框架柱顶部施加100kN的竖向力,墙底施加点弹簧约束,同时考虑结构自重。运行分析后,查看单元内力,图5为柱轴力图和墙体竖向内力图。
从图5可以看出,柱的竖向力从柱顶开始逐渐减小。这是因为竖向力通过柱和墙的协调变形,将其中一部分力转移到周边墙体,使得框架柱的轴力“上大下小”。
地下管廊结构的板底采用的是面弹簧,在竖向恒载作用下,墙体和框架柱的协调变形,也会产生类似效应。这就是地下管廊结构柱子轴力“上大下小”的原因。
图4:简化说明模型
图5:恒载作用下的柱轴力图和墙体竖向内力图