轉換梁結構受力優化分析

晉忠武

(山西省第二建筑設計院，山西 長治046000)

隨著城市用地的日益減少，建筑也日益復雜，應相應地提高建筑結構性能。目前常見的梁式轉換層或板式轉換層存在不能滿足結構性能需要的問題，這就要求設計者通過不同的途徑來改善轉換層的受力性能。

1 梁式結構轉換層

1.1 預應力混凝土梁式結構轉換層

應力技術無論對結構還是對施工都起著重要的作用，該技術可使截面尺寸有效減小、撓度和裂縫可有效控制(包括施工階段的)及支撐負擔的減輕等。因此，對于建造承重荷載的大跨度轉換層，預應力混凝土結構非常適合。隨著預應力技術在我國的發展，其材料費用和施工費用有不斷下降的趨勢，預應力混凝土結構經濟優勢越來越明顯。

1.2 鋼骨混凝土梁式結構轉換層

建筑結構日益向著高層和超高層的結構形式發展，相應地轉換層承托的層數也日益增多。鋼骨混凝土梁的承載能力較高，剛度好，構件截面尺寸可以大大縮減，且其塑性、耐久性及抗震性能也優于一般的鋼筋混凝土。因此，鋼骨混凝土的應用被廣泛應用。另外，鋼骨混凝土梁由于本身剛度好，因此在施工時定位準確，可減少支模，施工速度有較大提升。

1.3 轉換梁受力機理分析

通過對轉換梁結構的計算分析可以發現這樣一個現象:只要轉換梁上部墻體有一定的長度，不管其以哪種形式存在，都會在一定程度上減小轉換梁中的彎矩，并在轉換梁上產生一定范圍的受拉區。對此現象分析后得出以下結論:

(1)在轉換結構體系中，墻與轉換梁是作為一個整體的，它們共同彎曲變形。若仍將轉換梁作為一個構件單獨分析而忽略整體作用，其所算出的彎矩會大很多。同時，由于轉換梁作為受拉翼緣，則必然出現軸向拉力。

(2)拱的傳力作用是轉換梁內力特點形成的主要因素。在墻與轉換梁共同工作中，其內部類似于形成一個傳力拱，由于它的存在，上部豎向荷載傳到轉換梁時，其中很大一部分以斜向荷載的形式作用于梁上;若將斜向荷載正交分解到垂直向和水平向等效荷載，則由于垂直荷載較單獨考慮轉換梁時小，因此彎矩肯定是考慮墻體作用時小，在水平荷載作用下，就形成轉換梁跨中一定區域受軸向拉力的現象。

這兩種因素決定了轉換梁最終的受力狀態。

3 改善轉換梁受力性能的方法

受剪承載力是控制轉換梁截面尺寸的決定因素，其截面尺寸往往較大，如不能很好地處理轉換梁的尺寸，則有可能與框支柱形成“強梁弱柱”的結構形式，對抗震是極其不利的;尋找新的轉換結構形式以改善轉換梁的受力性能是十分必要的，常見方法包括以下三種。

3.1 利用斜向支撐

在轉換梁的上部框架結構中選擇合適部位設置一些斜腹桿，使轉換梁支托柱上的荷載預先通過斜腹桿將一部分荷載傳遞給兩側落地的豎向框架柱，相當于改變一部分轉換梁上的垂直荷載的傳力方向，類似拱傳力的作用。

3.2 多道轉換

將轉換梁進行多道設置，即將結構轉換梁上部所有荷載施加于其上的情況變為分層施加于幾道轉換梁上，由一道轉換梁只承托一部分樓層的荷載，來達到改善單根轉換梁上受力的性能。

3.3 轉換梁加腋

在轉換梁的設計中，對于它的截面尺寸來說，受剪承載力才是其主要控制因素。要想使截面尺寸得到有效的降低，就要增強其在支座區段的抗剪承載力，而抗剪承載力的提高即局部增大截面面積，加腋是基于此而產生的。轉換梁加腋時還必須考慮其與上部剪力墻共同工作的情況，轉換梁承受的荷載由于共同作用而減小，但上部剪力墻由于共同作用承受的荷載反而會增加，在設計過程中對上部剪力墻應采取加強措施。

4 利用ANSYA 軟件改善轉換梁的受力性能

用ANSYA 分別對普通梁式轉換層、進行加腋后的梁式轉換層、加斜向支撐后的梁式轉換層進行計算，得出各種情況下的內力分布情況，比較各自的內力分布特點以及驗證受力性能是否改善。

混凝土等級采用C40，彈性模量Ec=3. 20 ×1010kN/m2，v =0.2，轉換梁高為1.60 m、寬為0.6 m，下部框架柱截面為正方形，尺寸為1.6 m × l.6 m，轉換梁上部剪力墻墻厚為0.25 m，上部樓層的層高為3.0 m，每層板上的荷載經計算簡化為25 kN/m2，轉換梁上部設18 層。在ANSYS 中分析時框架柱、梁，剪力墻采用solid 45 單元。梁的剪應力、拉應力以及第一主應力在距支座處約0.2 倍梁跨的范圍內比較大，因此此部位是轉換梁的薄弱部位，通過對此薄弱部位進行加強，必將大大改善梁的受力性能。

5 結 語

通過對ANSYA 建立的模型計算結果對比分析，可以得出下面幾點結論:

(1)轉換梁上部承受剪力墻時，在轉換梁上都會出現拉應力，產生的拉應力對結構的受力性能是極其不利的，在進行結構設計時，需對其抗拉強度進行驗算。

(2)轉換梁加斜向支撐后，支座處的水平拉應力、豎向壓應力，和最大第一主應力，都有比較明顯的改善，同時也有新的問題產生，即應力集中現象。

(3)對轉換梁進行加腋后，轉換梁的各種應力的改善較加斜向支撐的轉換梁更加顯著，對轉換梁薄弱部位進行加腋處理是可以有效改善轉換梁的受力性能的。

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