大跨轉換梁同上部結構共同工作的性能分析

王明 周宇

0 引言

在現代城市的高層建筑中,為了滿足底部修建大型商場、停車庫、大廳等大空間的使用功能的要求,或受到場地條件的限制,在建筑物底部需要跨越城市道路、消防通道、地下管網等建(構)筑物時,底層或底部幾層采用大空間的情況,在實際工程中應用也越來越廣泛。考慮轉換梁同上部結構共同工作的性能,可以得出框支轉換結構體系的受力規律,為該種結構體系的設計提供參考。

本文采用SAP2000進行分析。

1 轉換梁同上部剪力墻共同工作的性能

1.1 分析模型

模型:取一跨度為24 m的大跨轉換結構上部承托剪力墻模型,見圖1。

各構件的截面尺寸為:轉換梁 1.5 m×2.5 m(文獻[2]中,對框支轉換梁截面高度,抗震設計時不應小于計算跨度的1/6,非抗震設計時不應小于計算跨度的1/8,這樣設計的梁截面高度往往很大)。

本模型為非抗震模型,選取的截面尺寸小于文獻[2]中的規定;框支柱1.5 m×2.0 m;墻厚0.3 m。混凝土強度等級為C40,均布線荷載取 q=1 000 kN/m(代表上部荷載)。框支柱高度為6 m,剪力墻的高度為每層3 m。在算例中,通過改變轉換梁上部剪力墻的層數來分析轉換梁上部剪力墻對轉換梁受力影響的高度。轉換梁上剪力墻層數取n=1層,2層,3層,4層。轉換梁和框支柱采用SAP2000中線單元中的框架單元模擬,剪力墻采用SAP2000中面單元中的Shell單元模擬。對各個構件的劃分采用了SAP2000中限制網格最大尺寸的劃分方式自動劃分[1]。

1.2 內力分析

內力分析結果見表1。

表1 轉換梁各截面內力(N,V—103kN,M—103kN·m)

由表1中代表截面的內力可得出下列結論:

1)隨著轉換梁上部承托的剪力墻層數的增加,轉換梁的彎矩、剪力和軸力值逐漸降低。這說明剪力墻參與工作的性能會隨著剪力墻高度的增加而逐漸提高。如果在計算中不考慮該種共同工作的性能,在設計中將會產生嚴重的錯誤;

2)當剪力墻的高度在3層以上時,轉換梁中的內力逐漸趨于穩定,因此在考慮剪力墻共同參與工作的性能中,剪力墻參與工作的高度取到3層～4層是比較合適的。如果轉換梁上部承托的剪力墻的高度小于4層,應按實際情況考慮;

3)在轉換梁上部承托剪力墻的情況下,軸力非常大,不可忽略。在設計中應將轉換梁視為偏心受力構件進行設計[3],在轉換梁的中部,應將轉換梁視為偏心受拉構件,在轉換梁的端部,應將轉換梁視為偏心受壓構件。

2 轉換梁同上部框架共同工作的性能

2.1 結構分析模型

結構模型:一個24 m跨的轉換梁上部承托4層框架結構。通過改變上部框架結構的布置,設計了四個算例。四個算例中轉換梁和框支柱的截面不改變,轉換梁1.5 m×2.5 m;框支柱1.5 m×2.0 m。混凝土強度等級為C40,每層均布線荷載均取q=100kN/m。框支柱高度為6 m,框架每層層高3.6 m。

圖2為算例1的結構模型。上部框架梁0.3 m×0.7 m,框架柱0.7 m×0.9 m,每跨跨度8 m。

圖3為算例2的結構模型。上部框架梁0.3 m×0.7 m,框架柱0.7 m×0.9 m。在結構布置上增加了框架柱,使框架梁的跨度變為每跨4 m。

圖4為算例3和算例4的結構模型。度變為8 m,其余情況同算例2。

算例4是在算例3的模型基礎上,將上部框架結構中框架梁的截面尺寸由0.3 m×0.7 m變為0.3 m×0.9 m,其余情況同算例3。

轉換梁的各個控制截面的內力見表2。

2.2 轉換梁同上部結構共同工作的性能分析

算例3是在算例2的基礎上抽去了中間的框架柱,使該跨跨

算例2是在算例1的基礎上增設了框架柱,減小了上部框架的跨度,采用的設置方式是使算例1中的框架跨度由等間距的8 m變為等間距的4 m,荷載不變。計算結果中,轉換梁截面的控制彎矩由17.04變為14.8,變化幅度為13.2%;支座彎矩由-14.6變為-12.9,變化幅度為11.6%;最大剪力的變化幅度不大。由此可見,減小上部結構的柱網對調整轉換梁的跨度有一定的有利作用,可以使轉換梁的設計難度降低。

表2 控制截面內力(N,V—103kN,M—103kN·m,f—mm)

算例3是在算例1中的兩個邊跨中增設框架柱,使上部框架邊跨跨度由8 m變為4 m,中間跨不變,仍然為8 m的跨度。計算結果中,截面的控制彎矩由17.04變為13.3,變化幅度為21.9%;支座彎矩由-14.6變為-12.6,變化幅度為13.7%;最大剪力的變化幅度不大。比較算例2和算例3對減小轉換梁內力的作用,算例3效果更好。這說明,在考慮轉換梁同上部框架共同工作的作用時,上部框架不應等間距布置,應在靠近轉換梁支座設置較小柱網,跨中設置較大柱網。

算例4是在算例3的基礎上,僅將轉換梁上部框架中的框架梁由0.3 m×0.7 m變為0.3 m×0.9 m。計算結果中,截面的控制彎矩由13.3變為11.3,變化幅度為17.7%;支座彎矩由-12.6變為-11.2,變化幅度為11.1%;最大剪力的變化幅度為9.8%。比較算例1和算例4的結果,截面的控制彎矩由17.04變為11.3,變化幅度為35.8%;支座彎矩由-14.6變為-11.2,變化幅度為23.3%;最大剪力的變化幅度為4.5%。從算例1～算例4中,轉換梁的最大撓度也逐漸降低,這說明調整上部結構對轉換梁的變形也是有效的。由此可見,通過對轉換梁上部框架的布置和截面尺寸的調整,可以在不改變轉換梁截面尺寸的基礎上,大大地減小轉換梁的設計內力和變形,使轉換梁的設計難點得到解決或緩解。在具體的設計中再通過調整轉換梁的截面尺寸,轉換的設計難題就可以得到較好的解決。在上述分析中,剪力的調整幅度不大,這就要求設計者在設計中充分重視截面抗剪的設計。

3 結語

1)轉換梁同上部剪力墻和框架結構都有共同工作的性能,在設計中應考慮這種共同工作的性能來進行轉換梁的設計;

2)轉換梁上部承托剪力墻時,剪力墻和轉換梁將形成類似拉桿拱的受力模型,剪力墻的影響高度可取為轉換梁上4層剪力墻。轉換梁上部承托框架,可以通過調整上部框架柱網的布置及其增加上部框架的截面尺寸來降低轉換梁的內力和變形;

3)轉換梁上部承托剪力墻結構時,轉換梁中的軸力較大,應將轉換梁視為偏心受力構件來設計。在轉換梁上部承托框架的體系中,轉換梁中軸力的影響較小;

4)轉換梁的支座處是彎矩、剪力、軸力集中的區域,設計中應充分重視該部位的設計;

5)在大跨轉換梁中施加預應力是一種有效的措施。在后續研究中將進一步研究預應力轉換梁同上部結構共同工作的性能及其設計要點。

[1] 傅傳國,王廣勇,蔣永生.對大跨度迭層空腹桁架整體轉換結構幾個力學問題的討論[J].工業建筑,2004,34(1):32-35.

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