拱式转换层与梁式及桁架式转换层力学性能比较

凌志彬,张 敏,吴东岳

(华东交通大学 土木建筑学院,江西 南昌330013)

0 前 言

梁式转换层是目前实现垂直转换的最常用的结构形式,但是在托柱形式的梁式转换层中,当转换大梁跨度很大且承托层数较多时,由于转换大梁承托上部结构荷载较大,受力复杂,常使转换大梁截面尺寸过大,甚至形成强梁弱柱的结构形式,对结构抗震非常不利;转换大梁由于截面尺寸过大,因而有时不利于大型管道等设备系统的铺设,甚至影响转换楼层建筑空间的充分利用[1～3]。斜、竖腹杆与上下弦杆采用铰接连接的桁架式转换层相对梁式转换层刚度较小,对结构抗震有利,但由于腹杆与弦杆间采用铰接连接,导致该转换层整体性相对较差,对其支承的上部结构受力影响较大,有时甚至会造成上部楼层部分杆件配筋很大,在结构设计中难以实施,由此提出了受力更合理的拱式转换层结构。本文在拱式转换层已有研究基础上,分析拱式、梁式及桁架式转换层结构的受力特性,比较三者的配筋计算结果。

1 拱式转换层及其力学原理

拱式转换层的结构形式,详见图1。该转换层在楼层柱距变化处设置上、下弦杆CD、AF,在上、下弦杆之间设置斜腹杆AC、FD,形成拱式转换层结构,在斜腹杆之间设置竖腹杆GH、ST,用以调节拱式转换层结构上、下弦杆间的内力分配。转换层上部结构框架柱,布置在上弦杆上部。

图1 拱式转换层结构形式

图2 拱式转换层竖向荷载作用简图

拱式转换层结构的计算简图,详见图2。其力学原理为:斜腹杆AC和FD、上弦杆C D、下弦杆AF形成拱式结构,上部柱压力 P1、P2、P3、P4均作用在该拱式结构上。在荷载P1、P2、P3、P4作用下,下弦杆 AF 将产生水平拉力H,这可以抵消荷载P1、P2、P3、P4在上弦杆 CD中产生的部分弯矩。另外,在荷载 P2、P3作用点下部设置有竖腹杆 GH、ST,其作用是将荷载 P2、P3合理分配到上、下弦杆C D和AF上,即上弦杆承受集中力(P2-X1),(P3-X2),下弦杆承受集中力X1、X2,以达到优化上、下弦杆受力的目的,该分配原理是通过调整弦杆CD和AF的相对刚度来调整竖腹杆GH、ST轴力X1、X2的大小,即增大上弦杆刚度可以减小 X1、X2,而增大下弦杆刚度可以增大 X1、X2。还应注意的是,上弦杆 CD作为拱的一部分,还受有压力作用,当上弦杆 C D设计为大偏心受压杆件时,其所受压力对其力学性能是有利的,而下弦杆AF在承受弯矩的同时,还受有较大水平拉力,该杆应该考虑设计为预应力构件,一方面,可以减小下弦杆截面尺寸、控制裂缝和挠度,控制施工阶段的裂缝及减轻支撑负担等;另一方面,下弦杆施加的预应力,还可以抵消斜腹杆在该转换层下部柱中引起的水平剪力。该结构竖腹杆与上弦杆连接采用刚接形式,与下弦杆连接采用铰接形式[4]。

2 拱式、桁架式、梁式3种转换层的力学分析

为比较拱式、桁架式、梁式转换层3种结构力学性能的优劣,分别建立上述3种转换层的计算模型[4～5],详见图3和图4,各杆件截面尺寸见表1。分别采用SATWE软件进行力学分析。

图3 拱式及桁架式转换层计算简图

图4 梁式转换层计算简图

表1 3种转换层杆件截面尺寸b×h(mm)

各转换层上部框架梁、柱截面尺寸分别为300 mm×600 mm、600 mm×600 mm,转换层本层及相邻上下一个楼层混凝土强度等级为C50,其他楼层混凝土强度等级为C40,拱式及桁架式转换层下弦杆施加预应力,其控制应力 σcon=1 395 N/mm2,根据文献[6]建议,拱式转换层满足上下弦杆的线刚度比β≥3,并且其腹杆与上弦杆刚接,与下弦杆铰接;桁架式转换层各杆件截面尺寸与拱式转换层相同,但其斜腹杆、竖腹杆两端均与上下弦杆铰接。梁式转换层转换大梁高度与拱式及桁架式转换层总高度相同。各转换层截面尺寸详见表1。

转换层楼板厚为180 mm,其他楼板厚为100 mm。每榀框架之间柱距为6 m。设防烈度为7°,Ⅱ类场地,抗震等级为二级;上、下弦杆截面抗裂度按三级设计,楼面荷载标准值按每层恒载10 kN/m2,活载为2 kN/m2考虑。

分析计算表明:3种转换层在竖向荷载标准值作用下力学性能分析结果见表2。

3种转换层在地震作用下的效应详见表3。

由表2可见:

(1)竖向荷载作用下,拱式与桁架式转换层上、下弦杆的跨中弯矩明显比梁式转换层小。拱式转换层上弦杆的杆端弯矩与轴压力均较桁架式转换层大,当控制为大偏心受压时,拱式转换层上弦杆受力更有利;拱式转换层下弦杆弯矩、剪力均较桁架转换层小,但轴拉力比桁架转换层大,表明拱式转换层整体工作性能比桁架式转换层强。拱式与桁架式换转层上、下弦杆的端部剪力明显小于梁式转换层转换大梁的端部剪力,上弦杆端部剪力仅为转换大梁的25%～30%,下弦杆的端部剪力略为转换大梁的10%。拱式转换层上弦杆支座剪力较桁架式转换层大,而下弦杆支座剪力较桁架式转换层小。

表2 竖向荷载标准值作用下3种转换层力学性能

(2)桁架式转换层上部柱的柱端弯矩较大,造成上部柱的配筋过大,甚至在工程设计中无法实现,而拱式与梁式转换层上部柱的内力和配筋较合理。梁式转换层下部柱弯矩最小。原因是梁式转换层转换大梁刚度较大,下部柱对其约束作用较弱,因而下部柱产生的弯矩较小;拱式与桁架式转换层下弦杆截面相对于转换大梁小得多,下部柱对其约束作用较强,因而下部柱端的弯矩较大。

(3)桁架式转换层的跨中挠度略大于拱式转换层,而梁式转换层挠度与反拱值均小于拱式与桁架转换层,但都能满足设计规范要求。

表3 3种转换层地震作用效应标准值

由表3可见:

(1)拱式与桁架式转换层的地震反应均远小于梁式转换层,这是由于拱式与桁架式转换层的抗侧刚度比梁式转换层小得多,因此梁式转换层地震反应较大;拱式转换层由于各腹杆与上弦杆采用了刚性连接,因而其地震作用大于桁架式转换层,但下弦杆地震作用小于桁架式转换层。

(2)拱式与桁架式转换层上部柱地震反应比梁式转换层大,但两者的下部柱端弯矩均比梁式转换层下部柱端弯矩小。

(3)拱式与桁架式转换层上部楼层的侧移均比梁式转换层大,但下部楼层的侧移比梁式转换层小很多,这是由于梁式转换层地震反应较大,由此增大了梁式转换层下部楼层的侧移。另外拱式转换层的侧移比桁架式转换层小,这充分说明拱式转换层整体性较桁架式转换层强。

3种转换层配筋分析结果详见下列表4,其中非预应力纵筋采用HRB400级钢筋,预应力纵筋采用φs15.2钢绞线,箍筋采用HPB235级钢筋。

表4 3种转换层配筋

由表4可见:

(1)拱式与桁架式转换层的配筋量均远少于梁式转换层。拱式转换层上弦杆跨中配筋小于桁架式转换层,但杆端负筋大于桁架式转换层。这是由于拱式转换层斜腹杆与上弦杆刚接形成整体,造成其杆端负弯矩较大,同时拱作用减小了跨中正弯矩,从而使拱式转换层上弦杆弯矩分布比桁架式转换层均匀,受力更合理。

(2)拱式与桁架式转换层上部柱的配筋差别较大,拱式转换层上部柱的配筋较合理,而桁架转换层上部柱则配筋过大,甚至在结构设计中难以实施,这是由于桁架式转换层腹杆与其上弦杆铰接,造成转换层上部楼层框架柱底部产生较大的支座位移,从而在上部楼层中引起较大的附加内力,造成该楼层柱配筋过大。

(3)拱式与桁架式转换层下部柱的配筋比梁式转换层小,而拱式转换层下部柱的配筋又比桁架式转换层下部柱的配筋少。

由上述分析可见,拱式转换层相对于梁式与桁架式转换层更合理,更实用。

3 结论与建议

(1)拱式与桁架式转换层的工作机理都是通过各腹杆与上下弦杆组合共同承担竖向与水平荷载。拱式转换层的各腹杆与上弦杆刚接,并通过下弦杆提供水平力,以此构成拱来承担上部竖向荷载;桁架式转换层的各腹杆与上、下弦杆铰接,以桁架的工作原理来承当上部竖向荷载,这是拱式与桁架式转换层受力机理的区别,前述分析表明,拱式转换层的受力较桁架转换层更为合理。

(2)拱式与桁架式转换的配筋和混凝土用量大大少于梁式转换层。拱式较桁架式转换层本身的配筋量略多,但桁架式转换层上部柱的配筋量远大于拱式转换层,甚至在结构设计中难以实施,桁架式转换层下部柱的配筋量也大于拱式转换层,可见拱式转换层比桁架式转换层更合理,更实用。

(3)从抗震性能考虑,拱式与桁架式转换层的自重与抗侧力刚度比梁式转换层小,因而两者的地震作用也比梁式转换层小。拱式转换层上弦杆两端的边跨梁截面高度可按普通框架梁的要求取值,这样在罕遇地震作用下,可以让这两根梁首先屈服,作为耗能杆件,以此来减小大震反应,对抗震有利。

(4)拱式与桁架式转换层可以充分利用转换层本身作为一个建筑楼层,这对充分利用建筑空间具有重要意义。

(5)适当加强拱式转换层腹杆对上弦杆的约束,这不但可以提高拱式转换层本层的整体性,还可降低该转换层上部柱及上弦杆跨中配筋量。拱式转换层下部楼层应适当加强,同时,该转换层上部楼层,由于受转换层本身的影响较大,较易形成薄弱层,因此建议将转换层上部楼层作为一个加强层,予以适当加强。

[1] 唐兴荣,何若全.高层建筑中转换层结构的现状和发展[J].苏州城建环保学院学报,2001,14(3):1-8.

[2] 戴国亮,梁书亭,蒋永生,等.迭层空腹桁架转换层结构的静力分析[J].东南大学学报,2000,30(4):39-42.

[3] 李福海,杨丹青.桁架转换层的形式和受力特点[J].四川建筑,2005,25(1):80-81.

[4] 唐兴荣,蒋永生,丁大钧,等.新型钢筋混凝土空腹桁架的结构分析[J].东南大学学报,1996,26(6B):94-96.

[5] 段永飞,刘明全,高彦良.钢筋混凝土单跨叠层空腹桁架转换结构的静力分析[J].建筑科学,2008,24(7):1-4.

[6] 张敏,梁炯丰.拱式转换层结构竖向受力分析[J].工业建筑,2008,38(5):46-49.