竖向荷载作用下转换桁架的受力和变形分析

2012-10-18秦奇峰王利华

科学之友 2012年2期

秦奇峰，王利华

（太原理工大学建筑与土木工程学院，山西太原 030024）

1 前言

随着建筑功能的多样化，建筑的结构形式需要在某一层发生变化，从而引起了竖向传力途径的变化，所以需要在结构发生变化的部位设置转换结构。梁式转换结构是工程中普遍采用的转换形式，但是当跨度较大，转换结构上不集中荷载较大时，转换梁的截面高度就会非常大，造成较大的刚度突变，转换梁的刚度远大于支撑柱的刚度，达不到强柱弱梁的设计要求，对结构的抗震性能不利。桁架式转换结构不仅有传力明确、传力途径清楚，而且转换桁架时开洞和设置管道方便，且它们的位置与大小具有很大的灵活性，使充分利用转换层的建筑空间成为可能。桁架式转换结构自重和抗侧力刚度比转换梁小，使带桁架转换层高层建筑的质量和刚度突变相对缓和，而因地震反应比带转换梁的高层建筑要小的多。本文也将着重分析桁架式转换层的受力特点。从经济指标来看，采用桁架转换层比采用梁式转换层和厚板转换层要经济。［1］目前国内实际工程中应用的空腹桁架转换结构型式主要有：空腹桁架、混合空腹桁架、斜腹杆桁架等。［2～4］

2 模型简介

本文旨在研究探讨桁架转换层在竖向荷载作用下的静力分析，为了排除干扰因素便于分析，建立的模型为含有桁架转换层的局部结构，根据不同的桁架转换形式，建立3个模型，分别为：空腹桁架支撑框架柱；斜腹杆桁架支撑框架柱；混合桁架支撑框架柱。

算例模型见图1。桁架高为3 m，跨度18 m，竖向腹杆间距为3 m，上部框架柱间距6 m。框支柱截面1 200 mm×1 200 mm，桁架上部框架柱截面400 mm×600 mm，上弦杆截面400 mm×600 mm，下弦杆截面400 mm×600 mm，斜腹杆截面400 mm×400 mm，竖向腹杆截面400 mm×400 mm。各模型均采用C30混凝土，桁架各杆件采用一般梁单元。上部框架柱顶作用集中荷载500 kN，上部框架梁和桁架上弦杆上作用均布线荷载20 kN/m。

图1 模型简图

3 分析结果

3.1 空腹转换桁架分析

空腹桁架MIDAS分析模型和分析结果，见图2～图5。

从图2中可看出，空腹桁架下弦杆主要受拉，拉应力中间最大，向两边递减，在端部会出现压应力（见图5）；上弦杆中间受压，向两端递减，两端出现拉应力；竖向腹杆所受轴力从中间向两边递增，靠近端部竖向腹杆所受压力最大。从图3中可看出，桁架所受剪力是从中间向两端递增。从图4中可看出桁架所受弯矩与转换梁相似中间小两边大，端部有负弯矩。从图5中可看出，空腹桁架在竖向荷载作用下跨中挠度较大。

图2 空腹桁轴力图

图3 空腹桁架剪力图

图4 空腹桁弯矩图

图5 空腹桁架应力变形图

3.2 斜腹杆转换桁架分析

斜腹杆桁架MIDAS分析模型和分析结果如下：

图6 斜腹杆桁轴力图

图7 斜腹杆桁架剪力图

图8 斜腹杆桁弯矩图

图9 斜腹杆桁架应力变形图

从图6中可看出，斜腹杆桁架下弦杆如空腹桁架，主要受拉，拉应力中间最大，向两边递减，在端部会出现压应力；上弦杆中间受压，向两端递减；斜腹杆所受轴力拉压相间，绝对值从中间向两边递增。从图7中可看出，桁架所受剪力是从中间向两端递增，但是所受剪力值明显低于空腹桁架剪力值。从图8中可看出，斜腹杆桁架所受弯矩很小，受力特征如空腹桁架。从图9中可看出，斜腹杆桁架在竖向荷载作用下跨中挠度比空腹桁架小的多。