转换梁结构受力优化分析

晋忠武

[摘要]本文在介绍常见梁式结构转换层的基础上，重点分析了改善转换梁受力性能的方法，并且采用ANSYA软件结合实际进行验证。希望能够为相关工程的设计提供参考。

[关键词]转换梁；受力机理；性能

文章编号：2095-4085（2015）12-0031-02

随着城市用地的日益减少，建筑也日益复杂，应相应地提高建筑结构性能。目前常见的梁式转换层或板式转换层存在不能满足结构性能需要的问题，这就要求设计者通过不同的途径来改善转换层的受力性能。

1 梁式结构转换层

1.1预应力混凝土梁式结构转换层 应力技术无论对结构还是对施工都起着重要的作用，该技术可使截面尺寸有效减小、挠度和裂缝可有效控制（包括施工阶段的）及支撑负担的减轻等。因此，对于建造承重荷载的大跨度转换层，预应力混凝土结构非常适合。随着预应力技术在我国的发展，其材料费用和施工费用有不断下降的趋势，预应力混凝土结构经济优势越来越明显。

1.2钢骨混凝土梁式结构转换层

建筑结构日益向着高层和超高层的结构形式发展，相应地转换层承托的层数也日益增多。钢骨混凝土梁的承载能力较高，刚度好，构件截面尺寸可以大大缩减，且其塑性、耐久性及抗震性能也优于一般的钢筋混凝土。因此，钢骨混凝土的应用被广泛应用。另外，钢骨混凝土梁由于本身刚度好，因此在施工时定位准确，可减少支模，施工速度有较大提升。

1.3转换梁受力机理分析

通过对转换梁结构的计算分析可以发现这样一个现象：只要转换梁上部墙体有一定的长度，不管其以哪种形式存在，都会在一定程度上减小转换梁中的弯矩，并在转换梁上产生一定范围的受拉区。对此现象分析后得出以下结论：

（1）在转换结构体系中，墙与转换梁是作为一个整体的，它们共同弯曲变形。若仍将转换梁作为一个构件单独分析而忽略整体作用，其所算出的弯矩会大很多。同时，由于转换梁作为受拉翼缘，则必然出现轴向拉力。

（2）拱的传力作用是转换梁内力特点形成的主要因素。在墙与转换梁共同工作中，其内部类似于形成一个传力拱，由于它的存在，上部竖向荷载传到转换梁时，其中很大一部分以斜向荷载的形式作用于梁上；若将斜向荷载正交分解到垂直向和水平向等效荷载，则由于垂直荷载较单独考虑转换梁时小，因此弯矩肯定是考虑墙体作用时小，在水平荷载作用下，就形成转换梁跨中一定区域受轴向拉力的现象。

这两种因素决定了转换梁最终的受力状态。

3 改善转换梁受力性能的方法

受剪承载力是控制转换梁截面尺寸的决定因素，其截面尺寸往往较大，如不能很好地处理转换梁的尺寸，则有可能与框支柱形成“强梁弱柱”的结构形式，对抗震是极其不利的；寻找新的转换结构形式以改善转换梁的受力性能是十分必要的，常见方法包括以下三种。

3.1利用斜向支撑

在转换梁的上部框架结构中选择合适部位设置一些斜腹杆，使转换梁支托柱上的荷载预先通过斜腹杆将一部分荷载传递给两侧落地的竖向框架柱，相当于改变一部分转换梁上的垂直荷载的传力方向，类似拱传力的作用。

3.2多道转换

将转换梁进行多道设置，即将结构转换梁上部所有荷载施加于其上的情况变为分层施加于几道转换梁上，由一道转换梁只承托一部分楼层的荷载，来达到改善单根转换梁上受力的性能。

3.3转换梁加腋

在转换梁的设计中，对于它的截面尺寸来说，受剪承载力才是其主要控制因素。要想使截面尺寸得到有效的降低，就要增强其在支座区段的抗剪承载力，而抗剪承载力的提高即局部增大截面面积，加腋是基于此而产生的。转换梁加腋时还必须考虑其与上部剪力墙共同工作的情况，转换梁承受的荷载由于共同作用而减小，但上部剪力墙由于共同作用承受的荷载反而会增加，在设计过程中对上部剪力墙应采取加强措施。

4 利用ANSYA软件改善转换梁的受力性能

用ANSYA分别对普通梁式转换层、进行加腋后的梁式转换层、加斜向支撑后的梁式转换层进行计算，得出各种情况下的内力分布情况，比较各自的内力分布特点以及验证受力性能是否改善。

混凝土等级采用C40，弹性模量E_c=3.20×10¹⁰kN/m²，u=0.2，转换梁高为1.60m、宽为0.6m，下部框架柱截面为正方形，尺寸为1.6m×1.6m，转换梁上部剪力墙墙厚为0.25m，上部楼层的层高为3.0m，每层板上的荷载经计算简化为25 kN/m2，转换梁上部设18层。在ANSYS中分析时框架柱、梁，剪力墙采用solid 45单元。梁的剪应力、拉应力以及第一主应力在距支座处约0.2倍梁跨的范围内比较大，因此此部位是转换梁的薄弱部位，通过对此薄弱部位进行加强，必将大大改善梁的受力性能。

5 结语

通过对ANSYA建立的模型计算结果对比分析，可以得出下面几点结论：

（1）转换梁上部承受剪力墙时，在转换梁上都会出现拉应力，产生的拉应力对结构的受力性能是极其不利的，在进行结构设计时，需对其抗拉强度进行验算。

（2）转换梁加斜向支撑后，支座处的水平拉应力、竖向压应力，和最大第一主应力，都有比较明显的改善，同时也有新的问题产生，即应力集中现象。

（3）对转换梁进行加腋后，转换梁的各种应力的改善较加斜向支撑的转换梁更加显著，对转换梁薄弱部位进行加腋处理是可以有效改善转换梁的受力性能的。