豎向荷載作用下轉換桁架的受力和變形分析

2012-10-18 11:32:42秦奇峰王利華

科學之友 2012年2期

秦奇峰，王利華

（太原理工大學建筑與土木工程學院，山西太原 030024）

1 前言

隨著建筑功能的多樣化，建筑的結構形式需要在某一層發生變化，從而引起了豎向傳力途徑的變化，所以需要在結構發生變化的部位設置轉換結構。梁式轉換結構是工程中普遍采用的轉換形式，但是當跨度較大，轉換結構上不集中荷載較大時，轉換梁的截面高度就會非常大，造成較大的剛度突變，轉換梁的剛度遠大于支撐柱的剛度，達不到強柱弱梁的設計要求，對結構的抗震性能不利。桁架式轉換結構不僅有傳力明確、傳力途徑清楚，而且轉換桁架時開洞和設置管道方便，且它們的位置與大小具有很大的靈活性，使充分利用轉換層的建筑空間成為可能。桁架式轉換結構自重和抗側力剛度比轉換梁小，使帶桁架轉換層高層建筑的質量和剛度突變相對緩和，而因地震反應比帶轉換梁的高層建筑要小的多。本文也將著重分析桁架式轉換層的受力特點。從經濟指標來看，采用桁架轉換層比采用梁式轉換層和厚板轉換層要經濟。［1］目前國內實際工程中應用的空腹桁架轉換結構型式主要有：空腹桁架、混合空腹桁架、斜腹桿桁架等。［2～4］

2 模型簡介

本文旨在研究探討桁架轉換層在豎向荷載作用下的靜力分析，為了排除干擾因素便于分析，建立的模型為含有桁架轉換層的局部結構，根據不同的桁架轉換形式，建立3個模型，分別為：空腹桁架支撐框架柱；斜腹桿桁架支撐框架柱；混合桁架支撐框架柱。

算例模型見圖1。桁架高為3 m，跨度18 m，豎向腹桿間距為3 m，上部框架柱間距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，上弦桿截面400 mm×600 mm，下弦桿截面400 mm×600 mm，斜腹桿截面400 mm×400 mm，豎向腹桿截面400 mm×400 mm。各模型均采用C30混凝土，桁架各桿件采用一般梁單元。上部框架柱頂作用集中荷載500 kN，上部框架梁和桁架上弦桿上作用均布線荷載20 kN/m。

圖1 模型簡圖

3 分析結果

3.1 空腹轉換桁架分析

空腹桁架MIDAS分析模型和分析結果，見圖2～圖5。

從圖2中可看出，空腹桁架下弦桿主要受拉，拉應力中間最大，向兩邊遞減，在端部會出現壓應力（見圖5）；上弦桿中間受壓，向兩端遞減，兩端出現拉應力；豎向腹桿所受軸力從中間向兩邊遞增，靠近端部豎向腹桿所受壓力最大。從圖3中可看出，桁架所受剪力是從中間向兩端遞增。從圖4中可看出桁架所受彎矩與轉換梁相似中間小兩邊大，端部有負彎矩。從圖5中可看出，空腹桁架在豎向荷載作用下跨中撓度較大。

圖2 空腹桁軸力圖

圖3 空腹桁架剪力圖

圖4 空腹桁彎矩圖

圖5 空腹桁架應力變形圖

3.2 斜腹桿轉換桁架分析

斜腹桿桁架MIDAS分析模型和分析結果如下：

圖6 斜腹桿桁軸力圖

圖7 斜腹桿桁架剪力圖

圖8 斜腹桿桁彎矩圖

圖9 斜腹桿桁架應力變形圖

從圖6中可看出，斜腹桿桁架下弦桿如空腹桁架，主要受拉，拉應力中間最大，向兩邊遞減，在端部會出現壓應力；上弦桿中間受壓，向兩端遞減；斜腹桿所受軸力拉壓相間，絕對值從中間向兩邊遞增。從圖7中可看出，桁架所受剪力是從中間向兩端遞增，但是所受剪力值明顯低于空腹桁架剪力值。從圖8中可看出，斜腹桿桁架所受彎矩很小，受力特征如空腹桁架。從圖9中可看出，斜腹桿桁架在豎向荷載作用下跨中撓度比空腹桁架小的多。