大跨轉(zhuǎn)換梁同上部結(jié)構(gòu)共同工作的性能分析

王明 周宇

0 引言

在現(xiàn)代城市的高層建筑中,為了滿足底部修建大型商場(chǎng)、停車庫(kù)、大廳等大空間的使用功能的要求,或受到場(chǎng)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(wǎng)等建(構(gòu))筑物時(shí),底層或底部幾層采用大空間的情況,在實(shí)際工程中應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。考慮轉(zhuǎn)換梁同上部結(jié)構(gòu)共同工作的性能,可以得出框支轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系的受力規(guī)律,為該種結(jié)構(gòu)體系的設(shè)計(jì)提供參考。

本文采用SAP2000進(jìn)行分析。

1 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上部承托剪力墻模型,見(jiàn)圖1。

各構(gòu)件的截面尺寸為:轉(zhuǎn)換梁 1.5 m×2.5 m(文獻(xiàn)[2]中,對(duì)框支轉(zhuǎn)換梁截面高度,抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于計(jì)算跨度的1/6,非抗震設(shè)計(jì)時(shí)不應(yīng)小于計(jì)算跨度的1/8,這樣設(shè)計(jì)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(xiàn)[2]中的規(guī)定;框支柱1.5 m×2.0 m;墻厚0.3 m?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C40,均布線荷載取 q=1 000 kN/m(代表上部荷載)?？蛑е叨葹? m,剪力墻的高度為每層3 m。在算例中,通過(guò)改變轉(zhuǎn)換梁上部剪力墻的層數(shù)來(lái)分析轉(zhuǎn)換梁上部剪力墻對(duì)轉(zhuǎn)換梁受力影響的高度。轉(zhuǎn)換梁上剪力墻層數(shù)取n=1層,2層,3層,4層。轉(zhuǎn)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(duì)各個(gè)構(gòu)件的劃分采用了SAP2000中限制網(wǎng)格最大尺寸的劃分方式自動(dòng)劃分[1]。

1.2 內(nèi)力分析

內(nèi)力分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 轉(zhuǎn)換梁各截面內(nèi)力(N,V—103kN,M—103kN·m)

由表1中代表截面的內(nèi)力可得出下列結(jié)論:

1)隨著轉(zhuǎn)換梁上部承托的剪力墻層數(shù)的增加,轉(zhuǎn)換梁的彎矩、剪力和軸力值逐漸降低。這說(shuō)明剪力墻參與工作的性能會(huì)隨著剪力墻高度的增加而逐漸提高。如果在計(jì)算中不考慮該種共同工作的性能,在設(shè)計(jì)中將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的錯(cuò)誤;

2)當(dāng)剪力墻的高度在3層以上時(shí),轉(zhuǎn)換梁中的內(nèi)力逐漸趨于穩(wěn)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(zhuǎn)換梁上部承托的剪力墻的高度小于4層,應(yīng)按實(shí)際情況考慮;

3)在轉(zhuǎn)換梁上部承托剪力墻的情況下,軸力非常大,不可忽略。在設(shè)計(jì)中應(yīng)將轉(zhuǎn)換梁視為偏心受力構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)[3],在轉(zhuǎn)換梁的中部,應(yīng)將轉(zhuǎn)換梁視為偏心受拉構(gòu)件,在轉(zhuǎn)換梁的端部,應(yīng)將轉(zhuǎn)換梁視為偏心受壓構(gòu)件。

2 轉(zhuǎn)換梁同上部框架共同工作的性能

2.1 結(jié)構(gòu)分析模型

結(jié)構(gòu)模型:一個(gè)24 m跨的轉(zhuǎn)換梁上部承托4層框架結(jié)構(gòu)。通過(guò)改變上部框架結(jié)構(gòu)的布置,設(shè)計(jì)了四個(gè)算例。四個(gè)算例中轉(zhuǎn)換梁和框支柱的截面不改變,轉(zhuǎn)換梁1.5 m×2.5 m;框支柱1.5 m×2.0 m。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40,每層均布線荷載均取q=100kN/m?？蛑е叨葹? m,框架每層層高3.6 m。

圖2為算例1的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)模型。上部框架梁0.3 m×0.7 m,框架柱0.7 m×0.9 m。在結(jié)構(gòu)布置上增加了框架柱,使框架梁的跨度變?yōu)槊靠? m。

圖4為算例3和算例4的結(jié)構(gòu)模型。度變?yōu)? m,其余情況同算例2。

算例4是在算例3的模型基礎(chǔ)上,將上部框架結(jié)構(gòu)中框架梁的截面尺寸由0.3 m×0.7 m變?yōu)?.3 m×0.9 m,其余情況同算例3。

轉(zhuǎn)換梁的各個(gè)控制截面的內(nèi)力見(jiàn)表2。

2.2 轉(zhuǎn)換梁同上部結(jié)構(gòu)共同工作的性能分析

算例3是在算例2的基礎(chǔ)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(chǔ)上增設(shè)了框架柱,減小了上部框架的跨度,采用的設(shè)置方式是使算例1中的框架跨度由等間距的8 m變?yōu)榈乳g距的4 m,荷載不變。計(jì)算結(jié)果中,轉(zhuǎn)換梁截面的控制彎矩由17.04變?yōu)?4.8,變化幅度為13.2%;支座彎矩由-14.6變?yōu)?12.9,變化幅度為11.6%;最大剪力的變化幅度不大。由此可見(jiàn),減小上部結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)對(duì)調(diào)整轉(zhuǎn)換梁的跨度有一定的有利作用,可以使轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)難度降低。

表2 控制截面內(nèi)力(N,V—103kN,M—103kN·m,f—mm)

算例3是在算例1中的兩個(gè)邊跨中增設(shè)框架柱,使上部框架邊跨跨度由8 m變?yōu)? m,中間跨不變,仍然為8 m的跨度。計(jì)算結(jié)果中,截面的控制彎矩由17.04變?yōu)?3.3,變化幅度為21.9%;支座彎矩由-14.6變?yōu)?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(duì)減小轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力的作用,算例3效果更好。這說(shuō)明,在考慮轉(zhuǎn)換梁同上部框架共同工作的作用時(shí),上部框架不應(yīng)等間距布置,應(yīng)在靠近轉(zhuǎn)換梁支座設(shè)置較小柱網(wǎng),跨中設(shè)置較大柱網(wǎng)。

算例4是在算例3的基礎(chǔ)上,僅將轉(zhuǎn)換梁上部框架中的框架梁由0.3 m×0.7 m變?yōu)?.3 m×0.9 m。計(jì)算結(jié)果中,截面的控制彎矩由13.3變?yōu)?1.3,變化幅度為17.7%;支座彎矩由-12.6變?yōu)?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(jié)果,截面的控制彎矩由17.04變?yōu)?1.3,變化幅度為35.8%;支座彎矩由-14.6變?yōu)?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(zhuǎn)換梁的最大撓度也逐漸降低,這說(shuō)明調(diào)整上部結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)換梁的變形也是有效的。由此可見(jiàn),通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)換梁上部框架的布置和截面尺寸的調(diào)整,可以在不改變轉(zhuǎn)換梁截面尺寸的基礎(chǔ)上,大大地減小轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)內(nèi)力和變形,使轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)難點(diǎn)得到解決或緩解。在具體的設(shè)計(jì)中再通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸,轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)難題就可以得到較好的解決。在上述分析中,剪力的調(diào)整幅度不大,這就要求設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)中充分重視截面抗剪的設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語(yǔ)

1)轉(zhuǎn)換梁同上部剪力墻和框架結(jié)構(gòu)都有共同工作的性能,在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮這種共同工作的性能來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì);

2)轉(zhuǎn)換梁上部承托剪力墻時(shí),剪力墻和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換梁上4層剪力墻。轉(zhuǎn)換梁上部承托框架,可以通過(guò)調(diào)整上部框架柱網(wǎng)的布置及其增加上部框架的截面尺寸來(lái)降低轉(zhuǎn)換梁的內(nèi)力和變形;

3)轉(zhuǎn)換梁上部承托剪力墻結(jié)構(gòu)時(shí),轉(zhuǎn)換梁中的軸力較大,應(yīng)將轉(zhuǎn)換梁視為偏心受力構(gòu)件來(lái)設(shè)計(jì)。在轉(zhuǎn)換梁上部承托框架的體系中,轉(zhuǎn)換梁中軸力的影響較小;

4)轉(zhuǎn)換梁的支座處是彎矩、剪力、軸力集中的區(qū)域,設(shè)計(jì)中應(yīng)充分重視該部位的設(shè)計(jì);

5)在大跨轉(zhuǎn)換梁中施加預(yù)應(yīng)力是一種有效的措施。在后續(xù)研究中將進(jìn)一步研究預(yù)應(yīng)力轉(zhuǎn)換梁同上部結(jié)構(gòu)共同工作的性能及其設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

[1] 傅傳國(guó),王廣勇,蔣永生.對(duì)大跨度迭層空腹桁架整體轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)幾個(gè)力學(xué)問(wèn)題的討論[J].工業(yè)建筑,2004,34(1):32-35.

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[3] 劉景云,劉廣義,王洪興.框支剪力墻結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換梁的受力性能研究[J].低溫建筑技術(shù),2009(2):52-54.

[4] 曾詳容,陳春煥.重慶市某大廈A塔樓轉(zhuǎn)換層RC梁裂縫分析與防治[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào),2004(1):72-74.

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[6] 李亞娥,于法橋.高層建筑空間轉(zhuǎn)換梁設(shè)計(jì)常見(jiàn)問(wèn)題研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2007,19(2):133-136.