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1、精品论文大集合拱式转换层结构力学性能分析李旭,张定邦 华东交通大学土木建筑学院,江西南昌(330013) E-mail:摘要:本文在已有转换层结构的基础上提出了一种拱式转换层结构形式,它即克服了梁 式转换层中,转换大梁截面过高,易与框支柱形成的框架出现“强梁弱柱”的缺点,又克服了 桁架转换层节点较复杂,斜杆较多的不足,同时又克服了板式转换层抗震性能较差的缺陷。 本文着重对于该拱式转换层结构进行弹性性能分析,以便掌握该结构的基本性能,为该结构 更深入的研究打下基础。关键词:框架;转换层;预应力;力学性能 中国分类号:TU375文献标识码:A本文针对传统类型转换层结构的优缺点1-4,提出了预应力拱
2、式转换层结构形式,其结 构形式详见图 1。图 1 预应力拱式转换层结构形式Fig.1 Prestressed Arch Transfer Story由于弹性性能是结构的基本性能,因此本文着重对于该拱式转换层结构进行弹性性能 分析,以便掌握该结构的基本性能,为该结构更深入的研究打下基础。主要进行了竖向荷载 作用下拱式转换层受力性能的分析,分析上、下弦杆线刚度比对结构受力性能的影响,进而 得出转换层结构上、下弦杆最优线刚度比。1. 拱式转换层工作原理预应力拱式转换层结构工作原理如下:图 1 中在楼层柱距变化处,设置上下弦杆,形成 拱式结构,其计算简图见图 2。图 2 拱式转换层竖向荷载作用简图Fi
3、g.2 ArchTransfer Story Applied to The Vertical Loading- 8 -斜腹杆 AC 和 DF、上弦杆 CD、下弦杆 AF 形成拱式结构,上部柱压力 P0、P1、P2 均作用在该拱式结构上。在荷载 P0、P1、P2 作用下,下弦杆 AF 将产生水平拉力 H,这可以抵消 荷载 P0、P1、P2 在上弦杆 CD 中产生的部分弯矩。另外,在荷载 P1、P2 作用点下部设置有 竖腹杆 GH、ST,其作用是将荷载 P1、P2 合理分配到上、下弦杆 CD 和 AF 上,即上弦杆作 用集中力(P1-X1),(P2-X2),下弦杆作用集中力 X1、X2,以达到优化
4、上、下弦杆弯矩的目 的,该分配原理是通过控制弦杆 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,而下弦杆 AF 在承受弯矩的同时, 还受有较大水平拉力,该杆可以采用预应力构件。斜腹杆 AC、FD 轴压力一般较大,如不 满足轴压比的要求,可以采用钢管混凝土结构,以改善其受力性能。因此,合理控制该预应 力拱式转换层结构上、下弦杆的刚度及拱跨高比,是优化设计这种结构形式的关键。2. 上、下弦杆刚度对拱式转换层受力性能的影响1)定义上
5、下弦杆线刚度比 = E1I1 L1= E1I1 . L2式中:E2 I2 L2E1 上弦杆弹性模量;E2 I2 L1I1 上弦杆截面惯性距;L1 上弦杆长度E2 下弦杆弹性模量;I2 下弦杆截面惯性距;L2 下弦杆长度;2)上、下弦杆刚度变化对转换层受力性能影响 为了研究上、下弦杆刚度变化对这种新型转换结构受力性能的影响,分别采用下面算了分析。表 1 与上、下弦杆截面尺寸对应关系方案上弦杆的截面尺寸下弦杆的截面尺寸线刚度比 A10.60.70.61.20.3308A20.60.80.4938A30.60.90.7031A40.61.00.9645A50.61.11.2838A60.61.21.
6、6667A70.61.32.119A80.61.42.6466A90.61.53.2552A100.61.63.9506A110.61.85.625A120.62.07.716表 2 与上、下弦杆截面尺寸对应关系方案上弦杆的截面尺寸下弦杆的截面尺寸线刚度比 B10.61.20.60.78.3965B20.60.85.625B30.60.93.9506B40.61.02.88B50.61.12.1638B60.61.21.6667B70.61.31.3109B80.61.41.0496B90.61.50.8533B100.61.60.7031B110.61.80.4938B120.62.00.3
7、6如图 1.2 拱式转换层下部框架柱 BM 和 EN 的截面尺寸为 1.01.0m,竖腹杆 GH 和 ST的截面尺寸为 0.60.6m,斜腹杆 AC 和 FD 的截面尺寸为 0.61.4m,混凝土强度等级为 C50, 跨度 L1=12m, L2=20m,h=3.5m,底层层高 4.5m,BC=CG=GS=SD=DE=4m。竖向荷载 P=1950KN,P0= P1= P2=3900 KN。当分析上弦杆影响时,取下弦杆 AF 截面尺寸为 0.61.2m,上弦杆 BE 截面尺寸考虑十 二种方案 A1A12,即:0.60.7m;0.60.8m;0.60.9m; 0.61.0m; 0.61.1m; 0.
8、61.2m;0.61.3m;0.61.4m ; 0.61.5m; 0.61.6m;0.61.8m;0.62.0m。考虑竖腹杆 GH 和 ST与上下弦杆铰接。 的数值如表 1 所示。当分析下弦杆影响时,取上弦杆 BE 截面尺寸为 0.61.2m,转换层下弦杆 AF 截面尺寸 考虑以下十二种方案 B1B12, 即:0.60.7m; 0.60.8m; 0.60.9m; 0.61.0m;0.61.1m;0.61.2m;0.61.3m; 0.61.4m ; 0.61.5m; 0.61.6m;0.61.8m;0.62.0m。 的数值如表 2所示。ANSYS 软件有限元模型的建立如图 3 所示,其中自定义网
9、格划分单元的尺寸为 0.5m; 对于其它的十一个模型可通过修改上弦杆截面尺寸得到,建立计算模型后,即可进行计算, 结果如下:图 3 有限元模型Fig. 3 Finite Element Model(1)上弦杆刚度变化对转换层受力性能影响图 4 弦杆最大弯距与 的关系曲线图 5 弦杆最大剪力与 的关系曲线Fig.4 Relation Curve Between MaximalFig.5 Relation Curve Between MaximalMoment of Chord and Shear of Chord图 6 弦杆最大轴力与 的关系曲线图 7 竖腹杆最大轴力与 的关系曲线Fig.6 R
10、elation Curve Between MaximalFig.7 Relation Curve Between MaximalAxial Force of Chord and Axial Force of Web Chord and 由图 4、图 5、图 6 可知,随着上弦杆刚度的增大,上弦杆的最大弯距和最大剪力不断 增大。而当 3 时,上弦杆最大弯距和最大剪力随 增大变化不大。上弦杆的轴力在 较小 时,随 增大而略有增大,而后随 增大而略有减小。随着上弦杆刚度的增大,下弦杆的弯距 和剪力明显减小。而当 3 时,下弦杆最大弯距和最大剪力随 增大而减小缓慢。轴力变化 与上弦杆相似。由图 7
11、可知,竖腹杆 GH、ST 最大轴力随 增大而减小,当 3 时,该轴力 随 增大而变化缓慢。图 8 斜腹杆最大弯距与 的关系曲线图 9 斜腹杆最大剪力与 的关系曲Fig.8 Relation Curve between MaximalFig.9 Relation Curve between MaximalMoment of Diagonal Web Chord and Shear of Diagonal Web Chord and 图 10 斜腹杆最大轴力与 的关系曲线Fig.10 Relation Curve between Maximal Axial Force of Diagonal We
12、b Chord and 由图 8、图 9、图 10 可知,斜腹杆的最大弯距和最大剪力随 增大而明显减小,即增 大上弦杆刚度能减小斜腹杆的最大弯距和最大剪力。斜腹杆的最大轴力在 较小时,随 增 大而稍有增大;在 较大时,随 增大而略有减小。(2)下弦杆刚度变化对转换层受力性能影响图 11 弦杆最大弯距与 的关系曲线图 12 弦杆最大剪力与 的关系曲线 Fig.11 Relation Curve between MaximalFig.12 Relation Curve between Maximal Moment of Chord and Shear of Chord and 图 13 弦杆最大轴
13、力与 的关系曲线图 14 竖腹杆最大轴力与 的关系曲线Fig.13 Relation Curve between MaximalFig.14 Relation Curve between MaximalAxial Force of Chord and Axial Force of Web Chord and 图 11、图 12、图 13 表明,随着下弦杆刚度的增大,上弦杆的最大弯距和最大剪力明显 减小,而当 3 时,上弦杆最大弯距和最大剪力随 增大变化不大。上弦杆的轴力在 较小 时,随 减小而明显减小;在 较大时,随 减小而减小缓慢。随着下弦杆刚度的增大,下 弦杆的最大弯距、最大剪力明显增大,
14、而当 3 时,下弦杆最大弯距和最大剪力随 增大变 化缓慢。而轴力变化与上弦杆相类似。由图 14 可知,竖腹杆最大轴力随 增大而减小,当 3 时,该轴力随 增大变化缓慢。图 15 斜腹杆最大弯距与 的关系曲线图 16 斜腹杆最大剪力与 的关系曲线Fig.15 Relation Curve between MaximalFig.16 Relation Curve between MaximalMoment of Diagonal Web Chord and Shear of Diagonal Web Chord and 图 17 斜腹杆最大轴力与 的关系曲线Fig.17 Relation Curv
15、e between Maximal Axial Force of Diagonal Web Chord and 由图 15、图 16、图 17 可知,斜腹杆的最大弯距、最大剪力在 较小时随 减小而明显减小, 而在 较大时,则减小缓慢,即增大下弦杆刚度能减小斜腹杆的最大弯距和最大剪力。斜腹 杆最大轴力随 增大而稍有增大。3. 结论通过以上算例的分析,可以得到以下结论:1.转换层由于拱作用,改变了上部竖向荷载受力方式,降低了上弦杆和下弦杆的弯距和 剪力,但同时使得斜杆和上、下弦杆轴力较大,因此上、下弦杆截面的设计应考虑轴力的影 响。2.必须适当地控制上、下弦杆的刚度比 。经前述分析,建议上下弦杆刚
16、度比 3,较为合 理。3.各杆件轴力的分布特点是,上弦杆和斜腹杆的压力较大,而竖腹杆的轴力相对较小, 下弦杆出现较大拉力,采用普通钢筋混凝土可能难以满足转换结构的抗裂要求,因此可以考虑在下弦杆施加预应力,形成预应力拱式转换层结构,而斜腹杆可采用钢管混凝土,以改善该构件的受力性能。4.增大上、下弦杆刚度,均能减小斜腹杆的最大弯距和最大剪力,而增大上弦杆刚度对 减小斜腹杆的最大弯距和最大剪力更为有效。参考文献1 吕志涛、孟少平.现代预应力设计M.北京:中国建筑工业出版社,1998 2傅传国,梁书亭,马辉.钢骨混凝土梁式转换层结构抗震性能试验研究J,建筑结构,2000.30(4):61-64 3张誉
17、,赵鸣,方健,袁兴隆.空腹桁架式结构转换层的试验研究J,建筑结构学报,1999.20(6):11-17 4荣维生,王亚勇.板式转换结构转换层位置对高层建筑抗震性能的影响J,建筑科学,2004.20(4):1-7Analysis of mechanics property of arch transfer floorLi Xu, Zhang DingbangCollege of Civil Engineering and Architecture, East China Jiao Tong University, Nanchang(330013 )AbstractIn this article,
18、 one kind of arch transformation stratification structure had been proposed,based on theexisted transformation structure, it not only overcame the shortcomings of high section from the beam-transfer floor, which could lead to strong beam with weak column, also overcame the shortcomings of complex no
19、des and many struts exsited in the trade- transfer floor , and it could overcame the defects from the plate- transfer floor on seismic performance. In order to grasp the basic structure of the performance and lay a foundation on the more in-depth study of this structure, the article focused on the conversion of the arch-layer structure of flexible performance analysis.Key words: frame; transfer floor; prestressed; mechanics property
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