大跨转换梁同上部结构共同工作的性能分析

王明 周宇

0 引言

在现代城市的高层建筑中,为了满足底部修建大型商场、停车库、大厅等大空间的使用功能的要求,或受到场地条件的限制,在建筑物底部需要跨越城市道路、消防通道、地下管网等建(构)筑物时,底层或底部几层采用大空间的情况,在实际工程中应用也越来越广泛。考虑转换梁同上部结构共同工作的性能,可以得出框支转换结构体系的受力规律,为该种结构体系的设计提供参考。

本文采用SAP2000进行分析。

1 转换梁同上部剪力墙共同工作的性能

1.1 分析模型

模型:取一跨度为24 m的大跨转换结构上部承托剪力墙模型,见图1。

各构件的截面尺寸为:转换梁 1.5 m×2.5 m(文献[2]中,对框支转换梁截面高度,抗震设计时不应小于计算跨度的1/6,非抗震设计时不应小于计算跨度的1/8,这样设计的梁截面高度往往很大)。

本模型为非抗震模型,选取的截面尺寸小于文献[2]中的规定;框支柱1.5 m×2.0 m;墙厚0.3 m。混凝土强度等级为C40,均布线荷载取 q=1 000 kN/m(代表上部荷载)。框支柱高度为6 m,剪力墙的高度为每层3 m。在算例中,通过改变转换梁上部剪力墙的层数来分析转换梁上部剪力墙对转换梁受力影响的高度。转换梁上剪力墙层数取n=1层,2层,3层,4层。转换梁和框支柱采用SAP2000中线单元中的框架单元模拟,剪力墙采用SAP2000中面单元中的Shell单元模拟。对各个构件的划分采用了SAP2000中限制网格最大尺寸的划分方式自动划分[1]。

1.2 内力分析

内力分析结果见表1。

表1 转换梁各截面内力(N,V—103kN,M—103kN·m)

由表1中代表截面的内力可得出下列结论:

1)随着转换梁上部承托的剪力墙层数的增加,转换梁的弯矩、剪力和轴力值逐渐降低。这说明剪力墙参与工作的性能会随着剪力墙高度的增加而逐渐提高。如果在计算中不考虑该种共同工作的性能,在设计中将会产生严重的错误;

2)当剪力墙的高度在3层以上时,转换梁中的内力逐渐趋于稳定,因此在考虑剪力墙共同参与工作的性能中,剪力墙参与工作的高度取到3层～4层是比较合适的。如果转换梁上部承托的剪力墙的高度小于4层,应按实际情况考虑;

3)在转换梁上部承托剪力墙的情况下,轴力非常大,不可忽略。在设计中应将转换梁视为偏心受力构件进行设计[3],在转换梁的中部,应将转换梁视为偏心受拉构件,在转换梁的端部,应将转换梁视为偏心受压构件。

2 转换梁同上部框架共同工作的性能

2.1 结构分析模型

结构模型:一个24 m跨的转换梁上部承托4层框架结构。通过改变上部框架结构的布置,设计了四个算例。四个算例中转换梁和框支柱的截面不改变,转换梁1.5 m×2.5 m;框支柱1.5 m×2.0 m。混凝土强度等级为C40,每层均布线荷载均取q=100kN/m。框支柱高度为6 m,框架每层层高3.6 m。

图2为算例1的结构模型。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。

图3为算例2的结构模型。上部框架梁0.3 m×0.7 m,框架柱0.7 m×0.9 m。在结构布置上增加了框架柱,使框架梁的跨度变为每跨4 m。

图4为算例3和算例4的结构模型。度变为8 m,其余情况同算例2。

算例4是在算例3的模型基础上,将上部框架结构中框架梁的截面尺寸由0.3 m×0.7 m变为0.3 m×0.9 m,其余情况同算例3。

转换梁的各个控制截面的内力见表2。

2.2 转换梁同上部结构共同工作的性能分析

算例3是在算例2的基础上抽去了中间的框架柱,使该跨跨

算例2是在算例1的基础上增设了框架柱,减小了上部框架的跨度,采用的设置方式是使算例1中的框架跨度由等间距的8 m变为等间距的4 m,荷载不变。计算结果中,转换梁截面的控制弯矩由17.04变为14.8,变化幅度为13.2%;支座弯矩由-14.6变为-12.9,变化幅度为11.6%;最大剪力的变化幅度不大。由此可见,减小上部结构的柱网对调整转换梁的跨度有一定的有利作用,可以使转换梁的设计难度降低。

表2 控制截面内力(N,V—103kN,M—103kN·m,f—mm)

算例3是在算例1中的两个边跨中增设框架柱,使上部框架边跨跨度由8 m变为4 m,中间跨不变,仍然为8 m的跨度。计算结果中,截面的控制弯矩由17.04变为13.3,变化幅度为21.9%;支座弯矩由-14.6变为-12.6,变化幅度为13.7%;最大剪力的变化幅度不大。比较算例2和算例3对减小转换梁内力的作用,算例3效果更好。这说明,在考虑转换梁同上部框架共同工作的作用时,上部框架不应等间距布置,应在靠近转换梁支座设置较小柱网,跨中设置较大柱网。

算例4是在算例3的基础上,仅将转换梁上部框架中的框架梁由0.3 m×0.7 m变为0.3 m×0.9 m。计算结果中,截面的控制弯矩由13.3变为11.3,变化幅度为17.7%;支座弯矩由-12.6变为-11.2,变化幅度为11.1%;最大剪力的变化幅度为9.8%。比较算例1和算例4的结果,截面的控制弯矩由17.04变为11.3,变化幅度为35.8%;支座弯矩由-14.6变为-11.2,变化幅度为23.3%;最大剪力的变化幅度为4.5%。从算例1～算例4中,转换梁的最大挠度也逐渐降低,这说明调整上部结构对转换梁的变形也是有效的。由此可见,通过对转换梁上部框架的布置和截面尺寸的调整,可以在不改变转换梁截面尺寸的基础上,大大地减小转换梁的设计内力和变形,使转换梁的设计难点得到解决或缓解。在具体的设计中再通过调整转换梁的截面尺寸,转换的设计难题就可以得到较好的解决。在上述分析中,剪力的调整幅度不大,这就要求设计者在设计中充分重视截面抗剪的设计。

3 结语

1)转换梁同上部剪力墙和框架结构都有共同工作的性能,在设计中应考虑这种共同工作的性能来进行转换梁的设计;

2)转换梁上部承托剪力墙时,剪力墙和转换梁将形成类似拉杆拱的受力模型,剪力墙的影响高度可取为转换梁上4层剪力墙。转换梁上部承托框架,可以通过调整上部框架柱网的布置及其增加上部框架的截面尺寸来降低转换梁的内力和变形;

3)转换梁上部承托剪力墙结构时,转换梁中的轴力较大,应将转换梁视为偏心受力构件来设计。在转换梁上部承托框架的体系中,转换梁中轴力的影响较小;

4)转换梁的支座处是弯矩、剪力、轴力集中的区域,设计中应充分重视该部位的设计;

5)在大跨转换梁中施加预应力是一种有效的措施。在后续研究中将进一步研究预应力转换梁同上部结构共同工作的性能及其设计要点。

[1] 傅传国,王广勇,蒋永生.对大跨度迭层空腹桁架整体转换结构几个力学问题的讨论[J].工业建筑,2004,34(1):32-35.

[2] 娄 宇,丁大均,魏 琏.梁式转换层有限元模型的选取[J].工程力学,1997,14(2):23-27.

[3] 刘景云,刘广义,王洪兴.框支剪力墙结构转换梁的受力性能研究[J].低温建筑技术,2009(2):52-54.

[4] 曾详容,陈春焕.重庆市某大厦A塔楼转换层RC梁裂缝分析与防治[J].后勤工程学院学报,2004(1):72-74.

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