陳 鴿，王玉剛，王艷杰

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

開洞轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力分布規(guī)律的有限元分析

陳 鴿，王玉剛，王艷杰

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

本文采用Abaqus有限元分析軟件對(duì)開不同形狀洞口的框支轉(zhuǎn)換梁在豎向均布荷載作用下的受力情況進(jìn)行了分析。探討了不同形狀的洞口對(duì)框支轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力分布規(guī)律以及洞口附近的應(yīng)力變化情況的影響。分析結(jié)果表明，洞口的形狀對(duì)應(yīng)力的分布有不同的影響，剪應(yīng)力分布不受洞口形狀的影響。

轉(zhuǎn)換梁；開洞；有限元分析

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國的高層建筑越來越多，建筑結(jié)構(gòu)的功能和形式也呈現(xiàn)出復(fù)雜化和多樣化，這些變化對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求也越來越高。為了滿足這些要求，許多高層建筑中通過運(yùn)用轉(zhuǎn)換層來實(shí)現(xiàn)上下柱網(wǎng)和結(jié)構(gòu)體系的改變。目前的工程建設(shè)中轉(zhuǎn)換層的主要結(jié)構(gòu)形式有：梁式、桁架式(包括空腹桁架式、混合桁架式)、箱型、轉(zhuǎn)換拱等。其中，梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具有傳力直接明確、便于工程分析設(shè)計(jì)、施工方便、工程造價(jià)較低等特點(diǎn)，故被廣泛應(yīng)用。

在高層建筑中，框支轉(zhuǎn)換梁的受力性能受多方面因素的影響。國內(nèi)外的學(xué)者對(duì)此開展了研究，陳進(jìn)對(duì)單跨框支轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了有限元分析，研究了洞口位置對(duì)單跨框支轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力分布和傳力途徑的影響[1]。李雅[2]對(duì)轉(zhuǎn)換梁受力的影響因素進(jìn)行分析，研究了上部剪力墻布置形式、剪力墻中部開洞及梁端加腋等因素對(duì)轉(zhuǎn)換梁受力狀態(tài)的影響，得出了剪力墻滿跨布置對(duì)轉(zhuǎn)換梁的受力最有利、轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力最小、大部分荷載主要集中在剪力墻兩端的結(jié)論。李鎮(zhèn)華[3]對(duì)轉(zhuǎn)換梁開雙洞的情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究。目前，國內(nèi)對(duì)轉(zhuǎn)換梁洞口形狀的研究還不多，因此，本文在前人的基礎(chǔ)上利用Abaqus有限元分析軟件，對(duì)不同洞口形狀的轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行研究。

圖1 模型網(wǎng)格劃分圖

1 模型情況

本文選用的模型為剪力墻滿跨布置，轉(zhuǎn)換梁跨中開洞的形式。其中剪力墻高4.5 m，墻厚0.3 m。轉(zhuǎn)換梁凈跨為7 m，截面尺寸：0.8 m×1.5 m 。柱高4.2 m，截面尺寸：1 m×1 m 。洞口分別為矩形、圓形和菱形。根據(jù)等面積的原則確定洞口尺寸，其中矩形洞尺寸為0.6 m×0.9 m，圓形洞的直徑為0.83 m， 菱形洞的尺寸為1.8 m×0.6 m。

建模時(shí)在剪力墻頂部施加均布荷載q=500 kN，柱與地面之間為固定約束，墻、梁、柱之間采用的是綁定約束。轉(zhuǎn)換梁結(jié)構(gòu)在豎向荷載下屬于應(yīng)力問題，因此模型采用C3D8R縮減積分即三維應(yīng)力單元進(jìn)行分析。在單元的劃分上都采用了較小的單元格，以便于獲得較高精度的計(jì)算結(jié)果。模型的網(wǎng)格劃分如圖1所示。

2 有限元計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 不同形狀的洞口對(duì)轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力分布的影響

圖2 Mises應(yīng)力曲線圖

為了便于分析比較，本文提取了轉(zhuǎn)換梁底部的應(yīng)力分析數(shù)據(jù)源，3種模型的Mises應(yīng)力曲線對(duì)比圖如圖2所示。從圖2可以看出，不同形狀洞口轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力均呈對(duì)稱分布，在墻角處都有應(yīng)力集中的象。通過對(duì)比分析可以看出，3條曲線除了跨中洞口部位發(fā)生明顯的變化，其余部位幾乎相同。矩形洞口轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力分布變化平緩，其最大值發(fā)生在洞口兩側(cè)的角部，但洞口部位應(yīng)力分布無明顯變化。圓形洞口轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力分布相對(duì)于矩形、菱形洞口應(yīng)力峰值最大，而且在洞口的部位，應(yīng)力變化比較明顯，變化幅度也比較大。而菱形洞口應(yīng)力峰值部位發(fā)生在洞口底部至兩側(cè)1/2邊長(zhǎng)處，而洞口中部應(yīng)力有明顯的降低。

2.2 轉(zhuǎn)換梁不同形狀的洞口水平正應(yīng)力的

分布圖對(duì)比分析

水平正應(yīng)力曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，水平方向正應(yīng)力在開矩形洞轉(zhuǎn)換梁的跨中洞口底部應(yīng)力最大，范圍約占梁跨度的1/3。開圓形洞的轉(zhuǎn)換梁水平應(yīng)力在圓底部最大，約占梁跨度的2/7。開菱形洞轉(zhuǎn)換梁的最大水平正應(yīng)力只出現(xiàn)在菱形底部尖角處。通過比較可知，開矩形洞口轉(zhuǎn)換梁的水平正應(yīng)力最大，影響范圍也最大。開圓形洞口轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力次之，但影響范圍最小。開菱形洞口轉(zhuǎn)換梁的水平正應(yīng)力最小，但影響范圍與矩形洞口相同。水平正應(yīng)力的影響范圍與洞口的水平長(zhǎng)度有關(guān)。

2.3 不同形狀的洞口對(duì)轉(zhuǎn)換梁豎向正應(yīng)力分布的影響

豎向正應(yīng)力分布云圖如圖4所示。從圖4可以看出，3種形狀洞口轉(zhuǎn)換梁豎向正應(yīng)力呈對(duì)稱分布，應(yīng)力呈現(xiàn)出兩端最大，且都為負(fù)值。洞口處均出現(xiàn)應(yīng)力突變，說明在轉(zhuǎn)換梁端部，3種形狀的洞口對(duì)轉(zhuǎn)換梁豎向正應(yīng)力并無太大影響。圓形洞口處正應(yīng)力突變最大，矩形洞口、菱形洞口的正應(yīng)力突變次之且波動(dòng)不大。這說明轉(zhuǎn)換梁的開洞會(huì)影響轉(zhuǎn)換梁豎向正應(yīng)力的分布，但影響的范圍只局限于開洞部分，且圓形洞口影響最大。

圖4 豎向應(yīng)力分布云圖

2.4 轉(zhuǎn)換梁不同形狀的洞口剪應(yīng)力分布對(duì)比分析

剪應(yīng)力分布云圖如圖5所示。從圖5中可以看出，轉(zhuǎn)換梁的剪應(yīng)力不受開洞的影響，剪應(yīng)力呈對(duì)稱分布大小相等方向相反。剪應(yīng)力在梁、柱相交處出現(xiàn)了應(yīng)力集中，其中梁底部與柱相交處剪力值最大。

圖5 剪應(yīng)力分布云圖

3 結(jié) 語

分析結(jié)果表明，矩形洞口轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力分布變化平緩，圓形洞口轉(zhuǎn)換梁的應(yīng)力分布峰值最大，變化比較明顯。菱形洞口峰值最小。矩形洞口轉(zhuǎn)換梁水平正應(yīng)力最大，影響范圍也最大。圓形洞口轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力次之，但影響范圍最小。菱形洞口轉(zhuǎn)換梁水平正應(yīng)力最小但影響范圍與矩形洞口相同。水平正應(yīng)力的影響范圍與洞口的水平長(zhǎng)度有關(guān)。豎向正應(yīng)力大小相同但最大正應(yīng)力的分布范圍圓形最小。剪應(yīng)力的分布于洞口形狀無關(guān)。

本文雖然對(duì)3種不同形式的洞口(圓洞、矩形洞、菱形洞)進(jìn)行了有限元分析，得到了一些結(jié)論，但是影響開洞轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力分布的因素較多，本文只是做了初步的探討與分析，并未應(yīng)用到實(shí)踐，希望今后能做進(jìn)一步的研究。

[1] 陳進(jìn),江世永,孫亮.單跨框支轉(zhuǎn)換梁應(yīng)力分布規(guī)律的有限元分析[J].四川建筑科學(xué)研究,2004,30(1):35-37.

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[4] 趙蘭子,張惠英,邱玥.開大洞轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的局部破壞分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2001,22(5):43-47.

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Finite Element Analysis of Stress Distribution in Transfer Beam

CHEN Ge, WANG Yugang, WANG Yanjie

(Xi′an Technological University, Xi′an 710021, China)

In this paper, the Abaqus finite element analysis software is used to analyze the stress of the frame supported transfer beams with different shapes in the vertical uniform load. The stress distribution from the different shapes of the hole on the transfer beam and influence of the stress change near the hole are studied. The analysis results show that different shape of the hole has different effect on stress, and the shear stress distribution is not affected by the shape of the hole.

transfer beam; holing; finite element analysis

2016-12-07

陳鴿(1990-)，女，陜西渭南人，在讀碩士研究生，主要從事結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化與設(shè)計(jì)方面的研究.

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.01.010

TU31

A

1674-5403(2017)01-0035-03