开洞转换梁应力分布规律的有限元分析

陈 鸽，王玉刚，王艳杰

(西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710021)

开洞转换梁应力分布规律的有限元分析

陈 鸽，王玉刚，王艳杰

(西安工业大学 建筑工程学院，陕西 西安 710021)

本文采用Abaqus有限元分析软件对开不同形状洞口的框支转换梁在竖向均布荷载作用下的受力情况进行了分析。探讨了不同形状的洞口对框支转换梁的应力分布规律以及洞口附近的应力变化情况的影响。分析结果表明，洞口的形状对应力的分布有不同的影响，剪应力分布不受洞口形状的影响。

转换梁；开洞；有限元分析

随着国民经济的快速发展，我国的高层建筑越来越多，建筑结构的功能和形式也呈现出复杂化和多样化，这些变化对建筑结构设计的要求也越来越高。为了满足这些要求，许多高层建筑中通过运用转换层来实现上下柱网和结构体系的改变。目前的工程建设中转换层的主要结构形式有：梁式、桁架式(包括空腹桁架式、混合桁架式)、箱型、转换拱等。其中，梁式转换结构具有传力直接明确、便于工程分析设计、施工方便、工程造价较低等特点，故被广泛应用。

在高层建筑中，框支转换梁的受力性能受多方面因素的影响。国内外的学者对此开展了研究，陈进对单跨框支转换梁应力分布规律进行了有限元分析，研究了洞口位置对单跨框支转换梁的应力分布和传力途径的影响[1]。李雅[2]对转换梁受力的影响因素进行分析，研究了上部剪力墙布置形式、剪力墙中部开洞及梁端加腋等因素对转换梁受力状态的影响，得出了剪力墙满跨布置对转换梁的受力最有利、转换梁的应力最小、大部分荷载主要集中在剪力墙两端的结论。李镇华[3]对转换梁开双洞的情况进行了试验研究。目前，国内对转换梁洞口形状的研究还不多，因此，本文在前人的基础上利用Abaqus有限元分析软件，对不同洞口形状的转换梁进行研究。

图1 模型网格划分图

1 模型情况

本文选用的模型为剪力墙满跨布置，转换梁跨中开洞的形式。其中剪力墙高4.5 m，墙厚0.3 m。转换梁净跨为7 m，截面尺寸：0.8 m×1.5 m 。柱高4.2 m，截面尺寸：1 m×1 m 。洞口分别为矩形、圆形和菱形。根据等面积的原则确定洞口尺寸，其中矩形洞尺寸为0.6 m×0.9 m，圆形洞的直径为0.83 m， 菱形洞的尺寸为1.8 m×0.6 m。

建模时在剪力墙顶部施加均布荷载q=500 kN，柱与地面之间为固定约束，墙、梁、柱之间采用的是绑定约束。转换梁结构在竖向荷载下属于应力问题，因此模型采用C3D8R缩减积分即三维应力单元进行分析。在单元的划分上都采用了较小的单元格，以便于获得较高精度的计算结果。模型的网格划分如图1所示。

2 有限元计算结果及分析

2.1 不同形状的洞口对转换梁应力分布的影响

图2 Mises应力曲线图

为了便于分析比较，本文提取了转换梁底部的应力分析数据源，3种模型的Mises应力曲线对比图如图2所示。从图2可以看出，不同形状洞口转换梁的应力均呈对称分布，在墙角处都有应力集中的象。通过对比分析可以看出，3条曲线除了跨中洞口部位发生明显的变化，其余部位几乎相同。矩形洞口转换梁的应力分布变化平缓，其最大值发生在洞口两侧的角部，但洞口部位应力分布无明显变化。圆形洞口转换梁的应力分布相对于矩形、菱形洞口应力峰值最大，而且在洞口的部位，应力变化比较明显，变化幅度也比较大。而菱形洞口应力峰值部位发生在洞口底部至两侧1/2边长处，而洞口中部应力有明显的降低。

2.2 转换梁不同形状的洞口水平正应力的

分布图对比分析

水平正应力曲线如图3所示。从图3中可以看出，水平方向正应力在开矩形洞转换梁的跨中洞口底部应力最大，范围约占梁跨度的1/3。开圆形洞的转换梁水平应力在圆底部最大，约占梁跨度的2/7。开菱形洞转换梁的最大水平正应力只出现在菱形底部尖角处。通过比较可知，开矩形洞口转换梁的水平正应力最大，影响范围也最大。开圆形洞口转换梁的应力次之，但影响范围最小。开菱形洞口转换梁的水平正应力最小，但影响范围与矩形洞口相同。水平正应力的影响范围与洞口的水平长度有关。

2.3 不同形状的洞口对转换梁竖向正应力分布的影响

竖向正应力分布云图如图4所示。从图4可以看出，3种形状洞口转换梁竖向正应力呈对称分布，应力呈现出两端最大，且都为负值。洞口处均出现应力突变，说明在转换梁端部，3种形状的洞口对转换梁竖向正应力并无太大影响。圆形洞口处正应力突变最大，矩形洞口、菱形洞口的正应力突变次之且波动不大。这说明转换梁的开洞会影响转换梁竖向正应力的分布，但影响的范围只局限于开洞部分，且圆形洞口影响最大。

图4 竖向应力分布云图

2.4 转换梁不同形状的洞口剪应力分布对比分析

剪应力分布云图如图5所示。从图5中可以看出，转换梁的剪应力不受开洞的影响，剪应力呈对称分布大小相等方向相反。剪应力在梁、柱相交处出现了应力集中，其中梁底部与柱相交处剪力值最大。

图5 剪应力分布云图

3 结 语

分析结果表明，矩形洞口转换梁应力分布变化平缓，圆形洞口转换梁的应力分布峰值最大，变化比较明显。菱形洞口峰值最小。矩形洞口转换梁水平正应力最大，影响范围也最大。圆形洞口转换梁应力次之，但影响范围最小。菱形洞口转换梁水平正应力最小但影响范围与矩形洞口相同。水平正应力的影响范围与洞口的水平长度有关。竖向正应力大小相同但最大正应力的分布范围圆形最小。剪应力的分布于洞口形状无关。

本文虽然对3种不同形式的洞口(圆洞、矩形洞、菱形洞)进行了有限元分析，得到了一些结论，但是影响开洞转换梁应力分布的因素较多，本文只是做了初步的探讨与分析，并未应用到实践，希望今后能做进一步的研究。

[1] 陈进,江世永,孙亮.单跨框支转换梁应力分布规律的有限元分析[J].四川建筑科学研究,2004,30(1):35-37.

[2] 李雅.转换梁受力的影响因素分析[J].建筑监督检测与造价,2011,4(1):6-10.

[3] 李镇华.高层建筑转换大梁开洞研究和实际应用[J].福建建筑,2006,97(1):115-117.

[4] 赵兰子,张惠英,邱玥.开大洞转换结构的局部破坏分析[J].建筑结构学报,2001,22(5):43-47.

[5] 金国芳,李思明,陆浩亮,等.梁腹开洞后受力分析的荷载试验及有限元计算分析[J].四川建筑科学研究,2001,27(2):1-3.

[6] 付善春,孙春雷,渠强.开洞对剪力墙刚度及侧移的影响[J].洛阳理工学院学报(自然科学版),2013,23(3):35-40.

[7] 马镇炎,王洪欣,张梅松,等.钢筋混凝土圆孔梁受力性能及加强方法研究[J].建筑结构,2013,43(S2):545-548.

Finite Element Analysis of Stress Distribution in Transfer Beam

CHEN Ge, WANG Yugang, WANG Yanjie

(Xi′an Technological University, Xi′an 710021, China)

In this paper, the Abaqus finite element analysis software is used to analyze the stress of the frame supported transfer beams with different shapes in the vertical uniform load. The stress distribution from the different shapes of the hole on the transfer beam and influence of the stress change near the hole are studied. The analysis results show that different shape of the hole has different effect on stress, and the shear stress distribution is not affected by the shape of the hole.

transfer beam; holing; finite element analysis

2016-12-07

陈鸽(1990-)，女，陕西渭南人，在读硕士研究生，主要从事结构体系优化与设计方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.01.010

TU31

A

1674-5403(2017)01-0035-03