轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)受力優(yōu)化分析

晉忠武

(山西省第二建筑設(shè)計院，山西 長治046000)

隨著城市用地的日益減少，建筑也日益復(fù)雜，應(yīng)相應(yīng)地提高建筑結(jié)構(gòu)性能。目前常見的梁式轉(zhuǎn)換層或板式轉(zhuǎn)換層存在不能滿足結(jié)構(gòu)性能需要的問題，這就要求設(shè)計者通過不同的途徑來改善轉(zhuǎn)換層的受力性能。

1 梁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層

1.1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層

應(yīng)力技術(shù)無論對結(jié)構(gòu)還是對施工都起著重要的作用，該技術(shù)可使截面尺寸有效減小、撓度和裂縫可有效控制(包括施工階段的)及支撐負(fù)擔(dān)的減輕等。因此，對于建造承重荷載的大跨度轉(zhuǎn)換層，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)非常適合。隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)在我國的發(fā)展，其材料費(fèi)用和施工費(fèi)用有不斷下降的趨勢，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢越來越明顯。

1.2 鋼骨混凝土梁式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層

建筑結(jié)構(gòu)日益向著高層和超高層的結(jié)構(gòu)形式發(fā)展，相應(yīng)地轉(zhuǎn)換層承托的層數(shù)也日益增多。鋼骨混凝土梁的承載能力較高，剛度好，構(gòu)件截面尺寸可以大大縮減，且其塑性、耐久性及抗震性能也優(yōu)于一般的鋼筋混凝土。因此，鋼骨混凝土的應(yīng)用被廣泛應(yīng)用。另外，鋼骨混凝土梁由于本身剛度好，因此在施工時定位準(zhǔn)確，可減少支模，施工速度有較大提升。

1.3 轉(zhuǎn)換梁受力機(jī)理分析

通過對轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)的計算分析可以發(fā)現(xiàn)這樣一個現(xiàn)象:只要轉(zhuǎn)換梁上部墻體有一定的長度，不管其以哪種形式存在，都會在一定程度上減小轉(zhuǎn)換梁中的彎矩，并在轉(zhuǎn)換梁上產(chǎn)生一定范圍的受拉區(qū)。對此現(xiàn)象分析后得出以下結(jié)論:

(1)在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系中，墻與轉(zhuǎn)換梁是作為一個整體的，它們共同彎曲變形。若仍將轉(zhuǎn)換梁作為一個構(gòu)件單獨(dú)分析而忽略整體作用，其所算出的彎矩會大很多。同時，由于轉(zhuǎn)換梁作為受拉翼緣，則必然出現(xiàn)軸向拉力。

(2)拱的傳力作用是轉(zhuǎn)換梁內(nèi)力特點(diǎn)形成的主要因素。在墻與轉(zhuǎn)換梁共同工作中，其內(nèi)部類似于形成一個傳力拱，由于它的存在，上部豎向荷載傳到轉(zhuǎn)換梁時，其中很大一部分以斜向荷載的形式作用于梁上;若將斜向荷載正交分解到垂直向和水平向等效荷載，則由于垂直荷載較單獨(dú)考慮轉(zhuǎn)換梁時小，因此彎矩肯定是考慮墻體作用時小，在水平荷載作用下，就形成轉(zhuǎn)換梁跨中一定區(qū)域受軸向拉力的現(xiàn)象。

這兩種因素決定了轉(zhuǎn)換梁最終的受力狀態(tài)。

3 改善轉(zhuǎn)換梁受力性能的方法

受剪承載力是控制轉(zhuǎn)換梁截面尺寸的決定因素，其截面尺寸往往較大，如不能很好地處理轉(zhuǎn)換梁的尺寸，則有可能與框支柱形成“強(qiáng)梁弱柱”的結(jié)構(gòu)形式，對抗震是極其不利的;尋找新的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式以改善轉(zhuǎn)換梁的受力性能是十分必要的，常見方法包括以下三種。

3.1 利用斜向支撐

在轉(zhuǎn)換梁的上部框架結(jié)構(gòu)中選擇合適部位設(shè)置一些斜腹桿，使轉(zhuǎn)換梁支托柱上的荷載預(yù)先通過斜腹桿將一部分荷載傳遞給兩側(cè)落地的豎向框架柱，相當(dāng)于改變一部分轉(zhuǎn)換梁上的垂直荷載的傳力方向，類似拱傳力的作用。

3.2 多道轉(zhuǎn)換

將轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行多道設(shè)置，即將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換梁上部所有荷載施加于其上的情況變?yōu)榉謱邮┘佑趲椎擂D(zhuǎn)換梁上，由一道轉(zhuǎn)換梁只承托一部分樓層的荷載，來達(dá)到改善單根轉(zhuǎn)換梁上受力的性能。

3.3 轉(zhuǎn)換梁加腋

在轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計中，對于它的截面尺寸來說，受剪承載力才是其主要控制因素。要想使截面尺寸得到有效的降低，就要增強(qiáng)其在支座區(qū)段的抗剪承載力，而抗剪承載力的提高即局部增大截面面積，加腋是基于此而產(chǎn)生的。轉(zhuǎn)換梁加腋時還必須考慮其與上部剪力墻共同工作的情況，轉(zhuǎn)換梁承受的荷載由于共同作用而減小，但上部剪力墻由于共同作用承受的荷載反而會增加，在設(shè)計過程中對上部剪力墻應(yīng)采取加強(qiáng)措施。

4 利用ANSYA 軟件改善轉(zhuǎn)換梁的受力性能

用ANSYA 分別對普通梁式轉(zhuǎn)換層、進(jìn)行加腋后的梁式轉(zhuǎn)換層、加斜向支撐后的梁式轉(zhuǎn)換層進(jìn)行計算，得出各種情況下的內(nèi)力分布情況，比較各自的內(nèi)力分布特點(diǎn)以及驗證受力性能是否改善。

混凝土等級采用C40，彈性模量Ec=3. 20 ×1010kN/m2，v =0.2，轉(zhuǎn)換梁高為1.60 m、寬為0.6 m，下部框架柱截面為正方形，尺寸為1.6 m × l.6 m，轉(zhuǎn)換梁上部剪力墻墻厚為0.25 m，上部樓層的層高為3.0 m，每層板上的荷載經(jīng)計算簡化為25 kN/m2，轉(zhuǎn)換梁上部設(shè)18 層。在ANSYS 中分析時框架柱、梁，剪力墻采用solid 45 單元。梁的剪應(yīng)力、拉應(yīng)力以及第一主應(yīng)力在距支座處約0.2 倍梁跨的范圍內(nèi)比較大，因此此部位是轉(zhuǎn)換梁的薄弱部位，通過對此薄弱部位進(jìn)行加強(qiáng)，必將大大改善梁的受力性能。

5 結(jié) 語

通過對ANSYA 建立的模型計算結(jié)果對比分析，可以得出下面幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)轉(zhuǎn)換梁上部承受剪力墻時，在轉(zhuǎn)換梁上都會出現(xiàn)拉應(yīng)力，產(chǎn)生的拉應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的受力性能是極其不利的，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需對其抗拉強(qiáng)度進(jìn)行驗算。

(2)轉(zhuǎn)換梁加斜向支撐后，支座處的水平拉應(yīng)力、豎向壓應(yīng)力，和最大第一主應(yīng)力，都有比較明顯的改善，同時也有新的問題產(chǎn)生，即應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(3)對轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行加腋后，轉(zhuǎn)換梁的各種應(yīng)力的改善較加斜向支撐的轉(zhuǎn)換梁更加顯著，對轉(zhuǎn)換梁薄弱部位進(jìn)行加腋處理是可以有效改善轉(zhuǎn)換梁的受力性能的。

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