凌志彬,張 敏,吳東岳

(華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院,江西 南昌330013)

0 前 言

梁式轉(zhuǎn)換層是目前實(shí)現(xiàn)垂直轉(zhuǎn)換的最常用的結(jié)構(gòu)形式,但是在托柱形式的梁式轉(zhuǎn)換層中,當(dāng)轉(zhuǎn)換大梁跨度很大且承托層數(shù)較多時,由于轉(zhuǎn)換大梁承托上部結(jié)構(gòu)荷載較大,受力復(fù)雜,常使轉(zhuǎn)換大梁截面尺寸過大,甚至形成強(qiáng)梁弱柱的結(jié)構(gòu)形式,對結(jié)構(gòu)抗震非常不利;轉(zhuǎn)換大梁由于截面尺寸過大,因而有時不利于大型管道等設(shè)備系統(tǒng)的鋪設(shè),甚至影響轉(zhuǎn)換樓層建筑空間的充分利用[1～3]。斜、豎腹桿與上下弦桿采用鉸接連接的桁架式轉(zhuǎn)換層相對梁式轉(zhuǎn)換層剛度較小,對結(jié)構(gòu)抗震有利,但由于腹桿與弦桿間采用鉸接連接,導(dǎo)致該轉(zhuǎn)換層整體性相對較差,對其支承的上部結(jié)構(gòu)受力影響較大,有時甚至?xí)斐缮喜繕菍硬糠謼U件配筋很大,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中難以實(shí)施,由此提出了受力更合理的拱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)。本文在拱式轉(zhuǎn)換層已有研究基礎(chǔ)上,分析拱式、梁式及桁架式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的受力特性,比較三者的配筋計算結(jié)果。

1 拱式轉(zhuǎn)換層及其力學(xué)原理

拱式轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)形式,詳見圖1。該轉(zhuǎn)換層在樓層柱距變化處設(shè)置上、下弦桿CD、AF,在上、下弦桿之間設(shè)置斜腹桿AC、FD,形成拱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu),在斜腹桿之間設(shè)置豎腹桿GH、ST,用以調(diào)節(jié)拱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)上、下弦桿間的內(nèi)力分配。轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)框架柱,布置在上弦桿上部。

圖1 拱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)形式

圖2 拱式轉(zhuǎn)換層豎向荷載作用簡圖

拱式轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的計算簡圖,詳見圖2。其力學(xué)原理為:斜腹桿AC和FD、上弦桿C D、下弦桿AF形成拱式結(jié)構(gòu),上部柱壓力 P1、P2、P3、P4均作用在該拱式結(jié)構(gòu)上。在荷載P1、P2、P3、P4作用下,下弦桿 AF 將產(chǎn)生水平拉力H,這可以抵消荷載P1、P2、P3、P4在上弦桿 CD中產(chǎn)生的部分彎矩。另外,在荷載 P2、P3作用點(diǎn)下部設(shè)置有豎腹桿 GH、ST,其作用是將荷載 P2、P3合理分配到上、下弦桿C D和AF上,即上弦桿承受集中力(P2-X1),(P3-X2),下弦桿承受集中力X1、X2,以達(dá)到優(yōu)化上、下弦桿受力的目的,該分配原理是通過調(diào)整弦桿CD和AF的相對剛度來調(diào)整豎腹桿GH、ST軸力X1、X2的大小,即增大上弦桿剛度可以減小 X1、X2,而增大下弦桿剛度可以增大 X1、X2。還應(yīng)注意的是,上弦桿 CD作為拱的一部分,還受有壓力作用,當(dāng)上弦桿 C D設(shè)計為大偏心受壓桿件時,其所受壓力對其力學(xué)性能是有利的,而下弦桿AF在承受彎矩的同時,還受有較大水平拉力,該桿應(yīng)該考慮設(shè)計為預(yù)應(yīng)力構(gòu)件,一方面,可以減小下弦桿截面尺寸、控制裂縫和撓度,控制施工階段的裂縫及減輕支撐負(fù)擔(dān)等;另一方面,下弦桿施加的預(yù)應(yīng)力,還可以抵消斜腹桿在該轉(zhuǎn)換層下部柱中引起的水平剪力。該結(jié)構(gòu)豎腹桿與上弦桿連接采用剛接形式,與下弦桿連接采用鉸接形式[4]。

2 拱式、桁架式、梁式3種轉(zhuǎn)換層的力學(xué)分析

為比較拱式、桁架式、梁式轉(zhuǎn)換層3種結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的優(yōu)劣,分別建立上述3種轉(zhuǎn)換層的計算模型[4～5],詳見圖3和圖4,各桿件截面尺寸見表1。分別采用SATWE軟件進(jìn)行力學(xué)分析。

圖3 拱式及桁架式轉(zhuǎn)換層計算簡圖

圖4 梁式轉(zhuǎn)換層計算簡圖

表1 3種轉(zhuǎn)換層桿件截面尺寸b×h(mm)

各轉(zhuǎn)換層上部框架梁、柱截面尺寸分別為300 mm×600 mm、600 mm×600 mm,轉(zhuǎn)換層本層及相鄰上下一個樓層混凝土強(qiáng)度等級為C50,其他樓層混凝土強(qiáng)度等級為C40,拱式及桁架式轉(zhuǎn)換層下弦桿施加預(yù)應(yīng)力,其控制應(yīng)力 σcon=1 395 N/mm2,根據(jù)文獻(xiàn)[6]建議,拱式轉(zhuǎn)換層滿足上下弦桿的線剛度比β≥3,并且其腹桿與上弦桿剛接,與下弦桿鉸接;桁架式轉(zhuǎn)換層各桿件截面尺寸與拱式轉(zhuǎn)換層相同,但其斜腹桿、豎腹桿兩端均與上下弦桿鉸接。梁式轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換大梁高度與拱式及桁架式轉(zhuǎn)換層總高度相同。各轉(zhuǎn)換層截面尺寸詳見表1。

轉(zhuǎn)換層樓板厚為180 mm,其他樓板厚為100 mm。每榀框架之間柱距為6 m。設(shè)防烈度為7°,Ⅱ類場地,抗震等級為二級;上、下弦桿截面抗裂度按三級設(shè)計,樓面荷載標(biāo)準(zhǔn)值按每層恒載10 kN/m2,活載為2 kN/m2考慮。

分析計算表明:3種轉(zhuǎn)換層在豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下力學(xué)性能分析結(jié)果見表2。

3種轉(zhuǎn)換層在地震作用下的效應(yīng)詳見表3。

由表2可見:

(1)豎向荷載作用下,拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層上、下弦桿的跨中彎矩明顯比梁式轉(zhuǎn)換層小。拱式轉(zhuǎn)換層上弦桿的桿端彎矩與軸壓力均較桁架式轉(zhuǎn)換層大,當(dāng)控制為大偏心受壓時,拱式轉(zhuǎn)換層上弦桿受力更有利;拱式轉(zhuǎn)換層下弦桿彎矩、剪力均較桁架轉(zhuǎn)換層小,但軸拉力比桁架轉(zhuǎn)換層大,表明拱式轉(zhuǎn)換層整體工作性能比桁架式轉(zhuǎn)換層強(qiáng)。拱式與桁架式換轉(zhuǎn)層上、下弦桿的端部剪力明顯小于梁式轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換大梁的端部剪力,上弦桿端部剪力僅為轉(zhuǎn)換大梁的25%～30%,下弦桿的端部剪力略為轉(zhuǎn)換大梁的10%。拱式轉(zhuǎn)換層上弦桿支座剪力較桁架式轉(zhuǎn)換層大,而下弦桿支座剪力較桁架式轉(zhuǎn)換層小。

表2 豎向荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下3種轉(zhuǎn)換層力學(xué)性能

(2)桁架式轉(zhuǎn)換層上部柱的柱端彎矩較大,造成上部柱的配筋過大,甚至在工程設(shè)計中無法實(shí)現(xiàn),而拱式與梁式轉(zhuǎn)換層上部柱的內(nèi)力和配筋較合理。梁式轉(zhuǎn)換層下部柱彎矩最小。原因是梁式轉(zhuǎn)換層轉(zhuǎn)換大梁剛度較大,下部柱對其約束作用較弱,因而下部柱產(chǎn)生的彎矩較小;拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層下弦桿截面相對于轉(zhuǎn)換大梁小得多,下部柱對其約束作用較強(qiáng),因而下部柱端的彎矩較大。

(3)桁架式轉(zhuǎn)換層的跨中撓度略大于拱式轉(zhuǎn)換層,而梁式轉(zhuǎn)換層撓度與反拱值均小于拱式與桁架轉(zhuǎn)換層,但都能滿足設(shè)計規(guī)范要求。

表3 3種轉(zhuǎn)換層地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值

由表3可見:

(1)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層的地震反應(yīng)均遠(yuǎn)小于梁式轉(zhuǎn)換層,這是由于拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層的抗側(cè)剛度比梁式轉(zhuǎn)換層小得多,因此梁式轉(zhuǎn)換層地震反應(yīng)較大;拱式轉(zhuǎn)換層由于各腹桿與上弦桿采用了剛性連接,因而其地震作用大于桁架式轉(zhuǎn)換層,但下弦桿地震作用小于桁架式轉(zhuǎn)換層。

(2)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層上部柱地震反應(yīng)比梁式轉(zhuǎn)換層大,但兩者的下部柱端彎矩均比梁式轉(zhuǎn)換層下部柱端彎矩小。

(3)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層上部樓層的側(cè)移均比梁式轉(zhuǎn)換層大,但下部樓層的側(cè)移比梁式轉(zhuǎn)換層小很多,這是由于梁式轉(zhuǎn)換層地震反應(yīng)較大,由此增大了梁式轉(zhuǎn)換層下部樓層的側(cè)移。另外拱式轉(zhuǎn)換層的側(cè)移比桁架式轉(zhuǎn)換層小,這充分說明拱式轉(zhuǎn)換層整體性較桁架式轉(zhuǎn)換層強(qiáng)。

3種轉(zhuǎn)換層配筋分析結(jié)果詳見下列表4,其中非預(yù)應(yīng)力縱筋采用HRB400級鋼筋,預(yù)應(yīng)力縱筋采用φs15.2鋼絞線,箍筋采用HPB235級鋼筋。

表4 3種轉(zhuǎn)換層配筋

由表4可見:

(1)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層的配筋量均遠(yuǎn)少于梁式轉(zhuǎn)換層。拱式轉(zhuǎn)換層上弦桿跨中配筋小于桁架式轉(zhuǎn)換層,但桿端負(fù)筋大于桁架式轉(zhuǎn)換層。這是由于拱式轉(zhuǎn)換層斜腹桿與上弦桿剛接形成整體,造成其桿端負(fù)彎矩較大,同時拱作用減小了跨中正彎矩,從而使拱式轉(zhuǎn)換層上弦桿彎矩分布比桁架式轉(zhuǎn)換層均勻,受力更合理。

(2)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層上部柱的配筋差別較大,拱式轉(zhuǎn)換層上部柱的配筋較合理,而桁架轉(zhuǎn)換層上部柱則配筋過大,甚至在結(jié)構(gòu)設(shè)計中難以實(shí)施,這是由于桁架式轉(zhuǎn)換層腹桿與其上弦桿鉸接,造成轉(zhuǎn)換層上部樓層框架柱底部產(chǎn)生較大的支座位移,從而在上部樓層中引起較大的附加內(nèi)力,造成該樓層柱配筋過大。

(3)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層下部柱的配筋比梁式轉(zhuǎn)換層小,而拱式轉(zhuǎn)換層下部柱的配筋又比桁架式轉(zhuǎn)換層下部柱的配筋少。

由上述分析可見,拱式轉(zhuǎn)換層相對于梁式與桁架式轉(zhuǎn)換層更合理,更實(shí)用。

3 結(jié)論與建議

(1)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層的工作機(jī)理都是通過各腹桿與上下弦桿組合共同承擔(dān)豎向與水平荷載。拱式轉(zhuǎn)換層的各腹桿與上弦桿剛接,并通過下弦桿提供水平力,以此構(gòu)成拱來承擔(dān)上部豎向荷載;桁架式轉(zhuǎn)換層的各腹桿與上、下弦桿鉸接,以桁架的工作原理來承當(dāng)上部豎向荷載,這是拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層受力機(jī)理的區(qū)別,前述分析表明,拱式轉(zhuǎn)換層的受力較桁架轉(zhuǎn)換層更為合理。

(2)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換的配筋和混凝土用量大大少于梁式轉(zhuǎn)換層。拱式較桁架式轉(zhuǎn)換層本身的配筋量略多,但桁架式轉(zhuǎn)換層上部柱的配筋量遠(yuǎn)大于拱式轉(zhuǎn)換層,甚至在結(jié)構(gòu)設(shè)計中難以實(shí)施,桁架式轉(zhuǎn)換層下部柱的配筋量也大于拱式轉(zhuǎn)換層,可見拱式轉(zhuǎn)換層比桁架式轉(zhuǎn)換層更合理,更實(shí)用。

(3)從抗震性能考慮,拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層的自重與抗側(cè)力剛度比梁式轉(zhuǎn)換層小,因而兩者的地震作用也比梁式轉(zhuǎn)換層小。拱式轉(zhuǎn)換層上弦桿兩端的邊跨梁截面高度可按普通框架梁的要求取值,這樣在罕遇地震作用下,可以讓這兩根梁首先屈服,作為耗能桿件,以此來減小大震反應(yīng),對抗震有利。

(4)拱式與桁架式轉(zhuǎn)換層可以充分利用轉(zhuǎn)換層本身作為一個建筑樓層,這對充分利用建筑空間具有重要意義。

(5)適當(dāng)加強(qiáng)拱式轉(zhuǎn)換層腹桿對上弦桿的約束,這不但可以提高拱式轉(zhuǎn)換層本層的整體性,還可降低該轉(zhuǎn)換層上部柱及上弦桿跨中配筋量。拱式轉(zhuǎn)換層下部樓層應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng),同時,該轉(zhuǎn)換層上部樓層,由于受轉(zhuǎn)換層本身的影響較大,較易形成薄弱層,因此建議將轉(zhuǎn)換層上部樓層作為一個加強(qiáng)層,予以適當(dāng)加強(qiáng)。

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