转换结构的主次梁应力分析.doc

转换结构的主次梁应力分析第1l期2007年11月广东土木与建筑GUANGD0NGARCHITECTURECIVILENGINEERINGNo.11N0V2oo7转换结构的主次梁应力分析成林星1韩小雷2(1,东莞市常平建筑设计院广东东莞523560;2,华南理工大学广州510640)摘要:在主次粱转换工程中,必须对转换主,次梁进行应力分析并按应力校核配筋,文中着重分析水平及竖向荷栽作用下转换主次梁相应的应力分布规律,为转换梁工程设计提供类似结构转换粱受力概念及计算分析方法.关键词:转换层;转换梁:有F-,L分析1引言在高层建筑主次梁转换层结构中.框支主梁需承受剪力墙,转换次梁及其上的剪力墙荷载,其传力途径多次转换.受力复杂.框支主梁除承受其上部剪力墙的作用外.还需承受次梁传来的剪力,扭矩和弯矩.故较易发生受剪破坏2=.高层建筑混凝土结构技术规程规定,转换层上部的竖向抗侧力构件(墙,柱)宜直接落在转换层的主结构上,当结构竖向布置复杂.框支主梁承托剪力墙,转换次梁及其上剪力墙时.应进行应力分析和应力校核进行配筋.并加强配筋构造措施1=在实际工程中常会遇到转换层上部剪力墙平面布置复杂的情况高层建筑结构梁式转换层的主要受力构件是转换大梁.作为支承上部剪力墙的基础.如何保证其具有足够的承载力.就要了解转换梁的受力形式及影响其受力的各方面因素其中主要的影响因素如下:上部结构的结构形式:上部结构与转换梁的相对刚度:转换梁与其下部支承结构(柱或墙)的相对刚度等.实际上转换梁的受力特性与上部墙柱构件参与共同工作的比例相关:部分墙体支承在框支柱上的转换梁:它与上部墙体共同工作.墙体的一部分荷载直14接传递给柱,剪力墙的受力性能发生较大的改变.在转换梁上部靠近支座处的墙体内有较大的剪应力:部分墙体位于框支柱净跨中的转换梁:其受力相当于梁跨中间段承受一定长度的均布荷载.但在转换梁的受荷载梁段由于存在着剪力墙的共同作用也相当于普通梁中间有一段刚性梁段.由于上部墙体的作用.相应墙下转换梁就有一段范围出现受拉区.这是墙转换梁作为一个整体共同弯曲变形.墙体约束了梁的变形.使转换梁所受的弯矩明显减小2工程实例概况某高层商住楼工程,各楼层使用功能划分如下:3层地下室为车库和设备用房:地上l3层为商场,表1各楼层标高及层高图1住宅标准层平面图2007年l1月第ll期成林星等:转换结构的主次梁应力分析N0V2Oo7No.1l会所.4层为转换层.53l层为住宅.各楼层标高及层高设计参数见表1.住宅标准层(53l层)平面如图l所示.本工程结构选型如下:上部住宅53l层采用剪力墙体系结构;3层以下商场,会所采用框架一混凝土核心筒结构.其中电梯间采用混凝土核心筒形式为底部竖向构件加强区.以保证结构满足规范规定的转换层上下层的刚度比:4层为本工程的关键结构层.为承接上下不同的结构体系.及满足不同位置竖向构件之间的传力需要.该层采用梁式转换层.根据上部剪力墙的平面分布情况.在剪力墙下布置转换梁.形成主,次梁转换层结构形式,转换主粱最大截面为bh=14x2500.典型截面为bh=900x2500;典型转换次梁截面为bh=6x2200和800x2200:转换层板厚取200mm.转换层结构平面如图2所示.I,:J.一一一lL一J:l甄囹口L甄一I粥斛I藕_5l【H十Hf11Il一lI一一ll一图2转换层结构平面图3主次梁转换的传力概念及有限元分析3.1分析要点(1)主次梁转换的传力概念由于本工程转换层上部剪力墙轴线与转换层下部框支柱轴线呈45.根据上部剪力墙下布置转换梁的原则.因此将出现转换次梁与转换主梁斜交角呈45的情况.这种多次转换的结构布置使转换层结构受力处于复杂的空间工作状态.传力途径复杂,转换次梁的设置使主梁受到附加集中力和弯矩作用.转换次梁由于两端支承在转换主梁上.约束条件较弱.按铰接条件对转换次梁进行应力和内力计算.则能得到可靠的计算结果,但由于次梁支座与主梁相连接.主次梁转换梁截面较大,都有较大刚度,因此主次转换梁之间连接节点在实际T程中能满足刚性节点的条件.它们之间不仅能传递轴力,剪力,也能传递弯矩作用.且其相应的力的方向也是三维空间受力.因此也要考虑次梁端支座负弯矩对主梁的作用为相应的扭矩作用,使主梁受弯,剪,扭不利组合.(2)框支单元有限元分析按高层规程的规定.框支主粱承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙时应进行应力分析.因此有必要采用高精度平面有限元法分析主次转换梁的应力.截取计算框支单元的要点如下:框支单元最好全轴线截取,以减少与整体分析时的误差;在截取层数时一般取框支层上部3层:转换层结构整体分析应选用墙元,壳元模型(SATWE),这样传递荷载将更为准确3_3.2转换梁与其上部剪力墙的应力分布(1)转换主梁及以上剪力墙单元选用SATWE各工况荷载进行框支单元计算.S这些荷载已经过结构的刚度协调.并考虑了平面外梁传给计算榀柱墙梁的荷载.选用主,次梁计算单元分别如图3所示图3框支单元计算构件选取平面图选取主梁单元LO一1(转换主梁及以上4层剪力墙)进行高精度平面有限元应力分析.分别获得框支单元在最大水平力和结构白重作用下.以及最大竖向荷载作用下的水平,垂直应力和剪应力分布图(略).根据上述应力线分布.可知转换梁的零应力线分布在梁高度的中问部位.跨中零应力线以下部分为拉应力线.零应力线以上部为压应力线,零应力线相当于梁受弯的中和轴.转换梁中和轴未出现上移现象:转换梁最大剪应力出现在上部没有墙体的梁端:转换梁并未呈现常见的框支剪力墙结构中的明显拱效应:这是因为转换梁上未满布剪力墙,转换梁受力形式与普通梁类似152007年l1月第ll期广东土木与建筑N0V20o7No.11(2)转换次梁及以上剪力墙单元当次梁承托剪力墙时,不能直接采用FEQ分析,但可通过模拟框支主梁进行应力分析:在转换次梁两端增加截面相当小的框架柱.这样转换次梁就简化为框支主梁:可以采用FEQ对框支次梁承托剪力墙进行二次分析.选取框支次梁单元LQ一2(转换次梁及以上4层剪力墙)进行高精度平面有限元应力分析.由于转换次梁不能直接采用FEQ计算,故在转换次梁LQ一2两端增加小截面柱.将其简化为框支主梁.先进行整体结构计算.其结果与未增加柱时相差微小;再对框支梁进行二次分析.由于各工况荷载考虑了平面外梁传给计算榀柱墙梁的荷载,因此附加框支柱应力不存在.相应荷载由转换主梁承担,本模型分析的主要目的是掌握框支次梁应力分布规律.经计算,分别获得框支单元在最大水平力和结构自重作用下.以及最大竖向荷载作用下的水平,垂直应力和剪应力分布图(略).根据上述应力线分布,可知转换次梁的零应力线分布在梁高度的中间部位.零应力线以下部分为拉应力线.零应力线以上部为压应力线,零应力线相当于梁受弯的中和轴:转换梁最大剪应力出现在墙体边缘和梁的支座端:转换次梁的应力线分布体现与普通次梁两端简支受力类似4结语4.1当结构竖向布置复杂.转换主梁承托剪力墙并承托转换次梁及其上剪力墙时,应进行应力分析,按应力校核配筋,并加强配筋构造措施.4.2转换梁的受力特性与上部墙柱构件参与共同工作的比例相关.影响转换层受力性能主要因素有转换梁刚度,上部结构类型,转换梁与其下部支承结构(柱或墙)的相对刚度等.4.3转换主梁应力分析结果表明.未满布剪力墙的转换梁的受力形式与普通梁类似,转换梁并未呈现常见的框支剪力墙结构的明显拱效应.其最大剪应力出现在上部没有墙体的梁端,设计时应予以重视.4.4转换次梁应力分析结果表明.转换梁最大剪应力出现在墙体边缘和梁的支座端:,其应力线分布与普通次梁两端简支受力类似.转换次梁与转换主梁交接处应设置加强构造.参考文献1JGJ3-2003J1862002高层建筑混凝土结构技术规程S2沈蒲生.高层建筑结构疑难释义M.北京:中国建筑工业出版社.20O3f3中国建筑科学研究院PKPMoCAD工程部.多层及高层建筑结构建筑结构空间有限元分析与设计软件SATE用户手册及技术条件M.2005(4)4中国建筑科学研究院PKPMoCAD工程部.高精度平面有限元框支剪力墙计算及配筋软件FEQ用户手册及技术条件M.2005(4)5唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工M.北京:中国建筑工业出版社,2002(10)jjjjjj屯.jjjjjjjjjjjjjjjjjjj屯jjjjjjjjjjjjjj(上接第24页)参考文献1龚晓南,高有潮.深基坑工程设计施工手册M.北京:中国建筑工业出版社.19982肖伍权,冷伍明.深基坑支护结构设计的优化方法Jl岩石力学,2007(6)3苏传国.大型椭圆形拱圈挡土