拱式轉(zhuǎn)換層與梁式及桁架式轉(zhuǎn)換層力學(xué)性能比較

凌志彬,張 敏,吳東岳

(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,江西 南昌330013)

0 前 言

梁式轉(zhuǎn)換層是目前實現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換的最常用的結(jié)構(gòu)形式,但是在托柱形式的梁式轉(zhuǎn)換層中,當轉(zhuǎn)換大梁跨度很大且承托層數(shù)較多時,由于轉(zhuǎn)換大梁承托上部結(jié)構(gòu)荷載較大,受力復(fù)雜,常使轉(zhuǎn)換大梁截面尺寸過大,甚至形成強梁弱柱的結(jié)構(gòu)形式,對結(jié)構(gòu)抗震非常不利;轉(zhuǎn)換大梁由于截面尺寸過大,因而有時不利于大型管道等設(shè)備系統(tǒng)的鋪設(shè),甚至影響轉(zhuǎn)換樓層建筑空間的充分利用[1～3]。斜、豎腹桿與上下弦桿采用鉸接連接的桁架式轉(zhuǎn)換層相對梁式轉(zhuǎn)換層剛度較小,對結(jié)構(gòu)抗震有利,但由于腹桿與弦桿間采用鉸接連接,導(dǎo)致該轉(zhuǎn)換層整體性相對較差,對其支承的上部結(jié)構(gòu)受力影響較大,有時甚至會造成上部樓層部分桿件配筋很大,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中難以實施,由此提出了受力更合理的拱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。本文在拱式轉(zhuǎn)換層已有研究基礎(chǔ)上,分析拱式、梁式及桁架式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的受力特性,比較三者的配筋計算結(jié)果。

1 拱式轉(zhuǎn)換層及其力學(xué)原理

拱式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式,詳見圖1。該轉(zhuǎn)換層在樓層柱距變化處設(shè)置上、下弦桿CD、AF,在上、下弦桿之間設(shè)置斜腹桿AC、FD,形成拱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu),在斜腹桿之間設(shè)置豎腹桿GH、ST,用以調(diào)節(jié)拱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上、下弦桿間的內(nèi)力分配。轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)框架柱,布置在上弦桿上部。

圖1 拱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式

圖2 拱式轉(zhuǎn)換層豎向荷載作用簡圖

拱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的計算簡圖,詳見圖2。其力學(xué)原理為:斜腹桿AC和FD、上弦桿C D、下弦桿AF形成拱式結(jié)構(gòu),上部柱壓力 P1、P2、P3、P4均作用在該拱式結(jié)構(gòu)上。在荷載P1、P2、P3、P4作用下,下弦桿 AF 將產(chǎn)生水平拉力H,這可以抵消荷載P1、P2、P3、P4在上弦桿 CD中產(chǎn)生的部分彎矩。另外,在荷載 P2、P3作用點下部設(shè)置有豎腹桿 GH、ST,其作用是將荷載 P2、P3合理分配到上、下弦桿C D和AF上,即上弦桿承受集中力(P2-X1),(P3-X2),下弦桿承受集中力X1、X2,以達到優(yōu)化上、下弦桿受力的目的,該分配原理是通過調(diào)整弦桿CD和AF的相對剛度來調(diào)整豎腹桿GH、ST軸力X1、X2的大小,即增大上弦桿剛度可以減小 X1、X2,而增大下弦桿剛度可以增大 X1、X2。還應(yīng)注意的是,上弦桿 CD作為拱的一部分,還受有壓力作用,當上弦桿 C D設(shè)計為大偏心受壓桿件時,其所受壓力對其力學(xué)性能是有利的,而下弦桿AF在承受彎矩的同時,還受有較大水平拉力,該桿應(yīng)該考慮設(shè)計為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件,一方面,可以減小下弦桿截面尺寸、控制裂縫和撓度,控制施工階段的裂縫及減輕支撐負擔等;另一方面,下弦桿施加的預(yù)應(yīng)力,還可以抵消斜腹桿在該轉(zhuǎn)換層下部柱中引起的水平剪力。該結(jié)構(gòu)豎腹桿與上弦桿連接采用剛接形式,與下弦桿連接采用鉸接形式[4]。

2 拱式、桁架式、梁式3種轉(zhuǎn)換層的力學(xué)分析

為比較拱式、桁架式、梁式轉(zhuǎn)換層3種結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的優(yōu)劣,分別建立上述3種轉(zhuǎn)換層的計算模型[4～5],詳見圖3和圖4,各桿件截面尺寸見表1。分別采用SATWE軟件進行力學(xué)分析。

圖3 拱式及桁架式轉(zhuǎn)換層計算簡圖

圖4 梁式轉(zhuǎn)換層計算簡圖

表1 3種轉(zhuǎn)換層桿件截面尺寸b×h(mm)

各轉(zhuǎn)換層上部框架梁、柱截面尺寸分別為300 mm×600 mm、600 mm×600 mm,轉(zhuǎn)換層本層及相鄰上下一個樓層混凝土強度等級為C50,其他樓層混凝土強度等級為C40,拱式及桁架式轉(zhuǎn)換層下弦桿施加預(yù)應(yīng)力,其控制應(yīng)力 σcon=1 395 N/mm2,根據(jù)文獻[6]建議,拱式轉(zhuǎn)換層滿足上下弦桿的線剛度比β≥3,并且其腹桿與上弦桿剛接,與下弦桿鉸接;桁架式轉(zhuǎn)換層各桿件截面尺寸與拱式轉(zhuǎn)換層相同,但其斜腹桿、豎腹桿兩端均與上下弦桿鉸接。梁式轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換大梁高度與拱式及桁架式轉(zhuǎn)換層總高度相同。各轉(zhuǎn)換層截面尺寸詳見表1。

轉(zhuǎn)換層樓板厚為180 mm,其他樓板厚為100 mm。每榀框架之間柱距為6 m。設(shè)防烈度為7°,Ⅱ類場地,抗震等級為二級;上、下弦桿截面抗裂度按三級設(shè)計,樓面荷載標準值按每層恒載10 kN/m2,活載為2 kN/m2考慮。

分析計算表明:3種轉(zhuǎn)換層在豎向荷載標準值作用下力學(xué)性能分析結(jié)果見表2。

3種轉(zhuǎn)換層在地震作用下的效應(yīng)詳見表3。

由表2可見:

(1)豎向荷載作用下,拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層上、下弦桿的跨中彎矩明顯比梁式轉(zhuǎn)換層小。拱式轉(zhuǎn)換層上弦桿的桿端彎矩與軸壓力均較桁架式轉(zhuǎn)換層大,當控制為大偏心受壓時,拱式轉(zhuǎn)換層上弦桿受力更有利;拱式轉(zhuǎn)換層下弦桿彎矩、剪力均較桁架轉(zhuǎn)換層小,但軸拉力比桁架轉(zhuǎn)換層大,表明拱式轉(zhuǎn)換層整體工作性能比桁架式轉(zhuǎn)換層強。拱式與桁架式換轉(zhuǎn)層上、下弦桿的端部剪力明顯小于梁式轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換大梁的端部剪力,上弦桿端部剪力僅為轉(zhuǎn)換大梁的25%～30%,下弦桿的端部剪力略為轉(zhuǎn)換大梁的10%。拱式轉(zhuǎn)換層上弦桿支座剪力較桁架式轉(zhuǎn)換層大,而下弦桿支座剪力較桁架式轉(zhuǎn)換層小。

表2 豎向荷載標準值作用下3種轉(zhuǎn)換層力學(xué)性能

(2)桁架式轉(zhuǎn)換層上部柱的柱端彎矩較大,造成上部柱的配筋過大,甚至在工程設(shè)計中無法實現(xiàn),而拱式與梁式轉(zhuǎn)換層上部柱的內(nèi)力和配筋較合理。梁式轉(zhuǎn)換層下部柱彎矩最小。原因是梁式轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換大梁剛度較大,下部柱對其約束作用較弱,因而下部柱產(chǎn)生的彎矩較小;拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層下弦桿截面相對于轉(zhuǎn)換大梁小得多,下部柱對其約束作用較強,因而下部柱端的彎矩較大。

(3)桁架式轉(zhuǎn)換層的跨中撓度略大于拱式轉(zhuǎn)換層,而梁式轉(zhuǎn)換層撓度與反拱值均小于拱式與桁架轉(zhuǎn)換層,但都能滿足設(shè)計規(guī)范要求。

表3 3種轉(zhuǎn)換層地震作用效應(yīng)標準值

由表3可見:

(1)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層的地震反應(yīng)均遠小于梁式轉(zhuǎn)換層,這是由于拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層的抗側(cè)剛度比梁式轉(zhuǎn)換層小得多,因此梁式轉(zhuǎn)換層地震反應(yīng)較大;拱式轉(zhuǎn)換層由于各腹桿與上弦桿采用了剛性連接,因而其地震作用大于桁架式轉(zhuǎn)換層,但下弦桿地震作用小于桁架式轉(zhuǎn)換層。

(2)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層上部柱地震反應(yīng)比梁式轉(zhuǎn)換層大,但兩者的下部柱端彎矩均比梁式轉(zhuǎn)換層下部柱端彎矩小。

(3)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層上部樓層的側(cè)移均比梁式轉(zhuǎn)換層大,但下部樓層的側(cè)移比梁式轉(zhuǎn)換層小很多,這是由于梁式轉(zhuǎn)換層地震反應(yīng)較大,由此增大了梁式轉(zhuǎn)換層下部樓層的側(cè)移。另外拱式轉(zhuǎn)換層的側(cè)移比桁架式轉(zhuǎn)換層小,這充分說明拱式轉(zhuǎn)換層整體性較桁架式轉(zhuǎn)換層強。

3種轉(zhuǎn)換層配筋分析結(jié)果詳見下列表4,其中非預(yù)應(yīng)力縱筋采用HRB400級鋼筋,預(yù)應(yīng)力縱筋采用φs15.2鋼絞線,箍筋采用HPB235級鋼筋。

表4 3種轉(zhuǎn)換層配筋

由表4可見:

(1)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層的配筋量均遠少于梁式轉(zhuǎn)換層。拱式轉(zhuǎn)換層上弦桿跨中配筋小于桁架式轉(zhuǎn)換層,但桿端負筋大于桁架式轉(zhuǎn)換層。這是由于拱式轉(zhuǎn)換層斜腹桿與上弦桿剛接形成整體,造成其桿端負彎矩較大,同時拱作用減小了跨中正彎矩,從而使拱式轉(zhuǎn)換層上弦桿彎矩分布比桁架式轉(zhuǎn)換層均勻,受力更合理。

(2)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層上部柱的配筋差別較大,拱式轉(zhuǎn)換層上部柱的配筋較合理,而桁架轉(zhuǎn)換層上部柱則配筋過大,甚至在結(jié)構(gòu)設(shè)計中難以實施,這是由于桁架式轉(zhuǎn)換層腹桿與其上弦桿鉸接,造成轉(zhuǎn)換層上部樓層框架柱底部產(chǎn)生較大的支座位移,從而在上部樓層中引起較大的附加內(nèi)力,造成該樓層柱配筋過大。

(3)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層下部柱的配筋比梁式轉(zhuǎn)換層小,而拱式轉(zhuǎn)換層下部柱的配筋又比桁架式轉(zhuǎn)換層下部柱的配筋少。

由上述分析可見,拱式轉(zhuǎn)換層相對于梁式與桁架式轉(zhuǎn)換層更合理,更實用。

3 結(jié)論與建議

(1)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層的工作機理都是通過各腹桿與上下弦桿組合共同承擔豎向與水平荷載。拱式轉(zhuǎn)換層的各腹桿與上弦桿剛接,并通過下弦桿提供水平力,以此構(gòu)成拱來承擔上部豎向荷載;桁架式轉(zhuǎn)換層的各腹桿與上、下弦桿鉸接,以桁架的工作原理來承當上部豎向荷載,這是拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層受力機理的區(qū)別,前述分析表明,拱式轉(zhuǎn)換層的受力較桁架轉(zhuǎn)換層更為合理。

(2)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換的配筋和混凝土用量大大少于梁式轉(zhuǎn)換層。拱式較桁架式轉(zhuǎn)換層本身的配筋量略多,但桁架式轉(zhuǎn)換層上部柱的配筋量遠大于拱式轉(zhuǎn)換層,甚至在結(jié)構(gòu)設(shè)計中難以實施,桁架式轉(zhuǎn)換層下部柱的配筋量也大于拱式轉(zhuǎn)換層,可見拱式轉(zhuǎn)換層比桁架式轉(zhuǎn)換層更合理,更實用。

(3)從抗震性能考慮,拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層的自重與抗側(cè)力剛度比梁式轉(zhuǎn)換層小,因而兩者的地震作用也比梁式轉(zhuǎn)換層小。拱式轉(zhuǎn)換層上弦桿兩端的邊跨梁截面高度可按普通框架梁的要求取值,這樣在罕遇地震作用下,可以讓這兩根梁首先屈服,作為耗能桿件,以此來減小大震反應(yīng),對抗震有利。

(4)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層可以充分利用轉(zhuǎn)換層本身作為一個建筑樓層,這對充分利用建筑空間具有重要意義。

(5)適當加強拱式轉(zhuǎn)換層腹桿對上弦桿的約束,這不但可以提高拱式轉(zhuǎn)換層本層的整體性,還可降低該轉(zhuǎn)換層上部柱及上弦桿跨中配筋量。拱式轉(zhuǎn)換層下部樓層應(yīng)適當加強,同時,該轉(zhuǎn)換層上部樓層,由于受轉(zhuǎn)換層本身的影響較大,較易形成薄弱層,因此建議將轉(zhuǎn)換層上部樓層作為一個加強層,予以適當加強。

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