空心圆管混凝土扁梁的抗弯性能分析

杨 勇

（贵州工业职业技术学院，贵州 贵阳 550008）

引言

近年来，随着新建筑材料和建筑技术的快速发展，越来越多的高层建筑和超高层建筑结构出现在城市之中。由于受建筑物层高的影响，高层建筑的总高度和使用面积在很大程度上取决于建筑物的层高。如：北京京广中心，钢—混凝土混合结构，总高度为208 m，地上结构为57层[1]。而上海国际航运大厦同样是钢—混凝土混合结构，总高度208 m，地上结构却只有50层[1]。综合分析两栋建筑层数的差异，其原因是两栋建筑采用不同的层高。因此，在保证室内使用空间的前提条件下，降低建筑物层高将取得很好的经济效果。近期内宽扁梁设计和施工在很多工程中得到应用，如贵州世贸广场。本文就一种新型的宽扁梁——空心圆管宽扁梁的抗弯性能进行分析。

1 用等代刚度法进行截面简化

图1 空心圆管混凝土扁梁与一般扁梁对比

如图1所示，空心圆管混凝土扁梁与一般的扁梁相比，在不影响承载力的前提条件下，可以减少混凝土的用量，降低结构的自重，改善构件的受力。而且如果在空心处填入泡沫材料，还可以起到保温的效果。本文就空心圆管混凝土扁梁在竖向荷载作用下的抗弯性能进行分析。

（1）用等代刚度法将空心圆管混凝土扁梁截面转换成高度相等的工字形截面。

圆管对自身截面形心的惯性矩：

用刚度相等的原则将圆管的截面惯性矩转换成方管的截面惯性矩

方管截面截面的惯性矩：

用等代刚度法进行截面换算时，方管的截面形心与圆管的截面形心位置保持不变，对于Y向非对称截面（见图2），其截面惯性矩应为：

图2

经过统计分析表明：方管与圆管的截面面积经过

换算后，方管的截面面积和圆管的截面面积相差不大，即经过换算后的方管扁梁截面的惯性矩与圆管扁梁截面的惯性矩相差不大。

将方管截面扁梁转换成工字形截面梁（如图三）：

图3 工字形截面梁

（2）用等代刚度法将空心圆管混凝土扁梁截面转换成高度相等的矩形截面。

空心圆管混凝土扁梁的截面惯性矩：

图4 空心圆管扁梁截面尺寸

转换后的矩形截面惯性矩为：

利用截面惯性矩相等的原则：

I圆=I矩得：

2 算例分析

一个柱网尺寸为7200 mm×7200 mm的结构平面布置图4，柱的截面尺寸为800 mm×800 mm，扁梁的截面尺寸为800 mm×450 mm，如图4所示。梁上受到的线荷载取25 KN/m，混凝土采用C30级，钢筋采用HRB335级钢筋。

图4所示的空心圆管混凝土扁梁其截面利用等代刚度法换算后，工字形截面的上下翼缘宽度均为800 mm，截面高度为450 mm，上翼缘高度为270 mm，下翼缘高度为50 mm，腹板宽度为410 mm。换算后的矩形截面高度为450 mm，宽度为770 mm。运用中国建筑科技研究院研发的结构计算软件PKPM－SATWE进行结构的内力（弯矩）分析，其结果如图5所示。

工字形截面建模的扁梁弯矩图（KNoM）

图5 矩形截面建模的扁梁弯矩图（KNoM）

运用有限元分析软件ANSYS对空心圆管混凝土扁梁经等代刚度法转换后的工字形截面和矩形截面进行分析，其分析结果如图6所示。

图6

综合结构计算软件PKPM－SATWE和有限元分析软件ANSYS以及手算结果来进行分析，其结果如表1所示。

表1 指标分析表（KNoM）

3 几种分析方法的结果对比

从分析结果来看，手算结果和有限元分析软件ANSYS分析的结果相当接近，而且按照等代刚度法换算的工字形截面和矩形截面无论是用SATWE还是ANSYS进行分析，其结果都非常接近，从而证明了用等代刚度法进行空心圆管混凝土扁梁截面换算的正确性。从表一中，可以看出用结构计算软件SATWE与有限元分析软件ANSYS得出的结果有一定程度的出入，这主要是SATWE计算时，考虑到工程实际情况，按照塑性理论进行结构计算。而ANSYS和手算时是按照弹性理论来进行计算。

如果按照常规的设计方法，跨度为7200mm的梁，其截面尺寸大概应该取到350mm×750mm，如果按这个截面尺寸来进行分析，其计算结果如图7所示。

图7

从计算结果来看，无论是跨中最大正弯矩还是支座最大负弯矩，其值都要比使用空心圆管混凝土扁梁的计算值要大。这也说明了空心圆管混凝土扁梁在实际工程中运用的可能性。

4 结语

随着建筑技术和建筑材料的快速发展，高层建筑结构和大开间建筑将越来越多的出现在我们的生活之中，本文对一种新型的宽扁梁——空心圆管混凝土宽扁梁的抗弯性能进行分析，分析结果表明其在实际工程中应用的可能性。并认为空心圆管混凝土宽扁梁在改善结构层高的同时，还可以起到一定的隔热保温效果。本文分析结果对空心圆管混凝土扁梁的设计和施工提供一定的参考价值，相信该种新型扁梁将在工程中得到应用。

[1]吴承霞，陈式浩.建筑结构[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]马克俭.新型建筑空间结构理论与实践[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]傅学怡.宽扁梁的设计建议[J].建筑结构，1999.

[4]王玉清.负弯矩区组合扁梁的受力性能分析[J].建筑技术，2003.

[5]吴培明.混凝土结构[M].武汉：武汉理工大学出版社，2003.

[6]冯良慈.无粘结预应力宽扁梁在高层建筑中的应用[J].建筑技术，2001.