王總 何助節(jié)

(1.北京盈建科軟件股份有限公司 重慶 400000; 2.深圳奧意建筑工程設(shè)計(jì)有限公司 深圳 518000)

梁?jiǎn)卧c殼單元在轉(zhuǎn)換梁計(jì)算中的差異

王總1何助節(jié)2

(1.北京盈建科軟件股份有限公司 重慶 400000; 2.深圳奧意建筑工程設(shè)計(jì)有限公司 深圳 518000)

基于實(shí)際轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)建筑，采用YJK中的梁?jiǎn)卧蜌卧獙?duì)轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比轉(zhuǎn)換梁的彎矩、位移。結(jié)果顯示，彎矩、位移的差異都非常大。對(duì)于一級(jí)轉(zhuǎn)換梁，采用殼單元計(jì)算的跨中豎向位移、彎矩更小；當(dāng)梁端支撐剪力墻時(shí)，采用梁?jiǎn)卧玫降牧憾藦澗亟Y(jié)果更小。采用梁?jiǎn)卧M轉(zhuǎn)換梁不符合實(shí)際結(jié)構(gòu)的受力模式，轉(zhuǎn)換梁應(yīng)按殼單元進(jìn)行計(jì)算。

梁?jiǎn)卧?；殼單元；轉(zhuǎn)換梁

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，復(fù)雜商業(yè)綜合體越來(lái)越多，即上部樓層為住宅或酒店，下部樓層為商業(yè)的建筑。為滿(mǎn)足這類(lèi)建筑下部樓層在空間上的需求，上部樓層的部分剪力墻或柱直接落在下層梁上，形成復(fù)雜的部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。在此類(lèi)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，規(guī)范[1]對(duì)轉(zhuǎn)換梁的抗震等級(jí)、水平地震作用、配筋率等都有特殊的規(guī)定，應(yīng)重視轉(zhuǎn)換梁的設(shè)計(jì)，保證結(jié)構(gòu)的安全。

文獻(xiàn)[2]研究了轉(zhuǎn)換梁的剛度對(duì)框支剪力墻結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，認(rèn)為適當(dāng)弱化轉(zhuǎn)換梁的剛度，不僅有利于建筑的使用功能，更有利于結(jié)構(gòu)的抗震性能。文獻(xiàn)[3]采用實(shí)體單元研究了轉(zhuǎn)換梁與上部剪力墻的共同作用，認(rèn)為考慮兩者的共同作用能有效地提高整體承載力，梁跨中豎向位移相對(duì)于設(shè)計(jì)結(jié)果更小。

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法中，轉(zhuǎn)換梁采用梁?jiǎn)卧M，剪力墻采用殼單元進(jìn)行模擬。這種計(jì)算方式存在以下問(wèn)題：由于轉(zhuǎn)換梁被模擬成了梁?jiǎn)卧D(zhuǎn)換梁和剪力墻之間的變形協(xié)調(diào)，實(shí)際上是梁中心線(xiàn)與墻體底部的協(xié)調(diào)。在豎向荷載作用下，梁的頂面與剪力墻底面已經(jīng)脫離，與實(shí)際結(jié)構(gòu)中墻底部與梁頂面的協(xié)同受力不相符合。轉(zhuǎn)換梁被模擬成梁?jiǎn)卧簩?duì)柱的荷載作用以單點(diǎn)荷載代替，不能夠考慮轉(zhuǎn)換梁的高度對(duì)其支座(柱、墻)的影響，與實(shí)際受力情況不符。這種計(jì)算方法造成的結(jié)果是：轉(zhuǎn)換梁剪力特別大，抗剪很容易超限；上層的剪力墻也因剪力突變?cè)斐山孛婵辜舫?；轉(zhuǎn)換柱抗剪超限。如果通過(guò)不斷地加大轉(zhuǎn)換梁截面來(lái)解決超限的問(wèn)題，這必將造成浪費(fèi)，不符合強(qiáng)柱弱梁的設(shè)計(jì)要求。

本文以實(shí)際工程為例，采用YJK結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，對(duì)比分析轉(zhuǎn)換梁采用梁?jiǎn)卧c殼單元的計(jì)算差異。

1 基本理論

YJK中梁?jiǎn)卧睦碚撃Ｐ褪荰imoshenko梁與拉壓梁的組合。它允許有軸向拉壓變形、軸向扭轉(zhuǎn)變形和具有剪切作用的彎曲變形，每個(gè)端點(diǎn)可以有6個(gè)自由度。

YJK對(duì)剪力墻的計(jì)算采用由多個(gè)三節(jié)點(diǎn)和四節(jié)點(diǎn)殼單元組成的超單元，即墻元。當(dāng)梁被指定成殼單元時(shí)，也采用此墻元進(jìn)行計(jì)算。具體包括以下4個(gè)步驟：①程序自動(dòng)將整體結(jié)構(gòu)的剪力墻劃分為三角形和四邊形，并分別用三節(jié)點(diǎn)殼和四節(jié)點(diǎn)殼來(lái)計(jì)算小單剛；②利用靜力凝聚原理，得到墻元的剛度矩陣；③用墻元的剛度矩陣進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)靜力和動(dòng)力求解；④回代得到的節(jié)點(diǎn)位移進(jìn)行應(yīng)力和內(nèi)力求解[4]。

2 工程概況

該工程為重慶某住宅項(xiàng)目。結(jié)構(gòu)形式為部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)。地下2層，地上32層，地上部分建筑高度為96.7m，轉(zhuǎn)換層位于地上第二層。場(chǎng)地設(shè)防烈度為6度，場(chǎng)地類(lèi)別Ⅱ類(lèi)，基本風(fēng)壓0.4。文中模型1指轉(zhuǎn)換梁按梁?jiǎn)卧?jì)算的模型，模型2指轉(zhuǎn)換梁按殼單元計(jì)算的模型，如圖1～圖2所示。由于篇幅限制，本文僅選取圖3所示的6根轉(zhuǎn)換梁進(jìn)行對(duì)比分析。

圖1 結(jié)構(gòu)模型圖

圖2 局部結(jié)構(gòu)圖

圖3 局部結(jié)構(gòu)平面布置圖

3 整體指標(biāo)

從表1可以看出，兩種單元模式下，整體結(jié)果基本相同，說(shuō)明局部的單元類(lèi)型對(duì)整體結(jié)果基本無(wú)影響。

表1 整體指標(biāo)

4 轉(zhuǎn)換梁彎矩

表2～表3分別為恒載、活載作用下，兩個(gè)模型左端、跨中及右端彎矩的對(duì)比。由于在地震工況下，梁的彎矩模式和豎向荷載不同，所以本文僅選取轉(zhuǎn)換梁的端部彎矩進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于1～5號(hào)梁，僅考慮X方向的地震作用，對(duì)于6號(hào)梁，僅考慮Y方向地震作用，與構(gòu)件的受力相匹配。

表2 恒載作用下彎矩 kN·m

從表2可以看出，在恒載作用下，模型2中各根轉(zhuǎn)換梁的計(jì)算彎矩均比模型1小，兩者差值在20%～65%之間。只有4號(hào)梁的右端彎矩和6號(hào)梁的左端彎矩，模型2比模型1結(jié)果要大，原因是這兩個(gè)部位正好與上部剪力墻相連，采用殼單元之后，轉(zhuǎn)換梁與剪力墻能更好地協(xié)調(diào)變形，轉(zhuǎn)換梁有效地分擔(dān)了剪力墻的面內(nèi)彎矩，致使轉(zhuǎn)換梁彎矩變大。然而，采用梁?jiǎn)卧獰o(wú)法體現(xiàn)這種受力效果。

表3 活載作用下彎矩 kN·m

從表3可以看出，在活載作用下，轉(zhuǎn)換梁彎矩所表現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律與恒載作用下的規(guī)律是相同的。4號(hào)梁右端和6號(hào)梁左端的彎矩，模型2也比模型1大，再一次印證了，如果梁端有剪力墻相連，采用梁?jiǎn)卧?jì)算出來(lái)的結(jié)果可能會(huì)偏小。

表4為地震作用下彎矩。

表4 地震作用下彎矩 kN·m

由表4可知，在X向地震作用下，模型2中1～5號(hào)梁的計(jì)算彎矩均比模型1小，只有模型2號(hào)梁左端和4號(hào)梁右端彎矩比模型1大，原因是這兩個(gè)部位均直接與上部剪力墻相連，在變形協(xié)調(diào)的情況下，剪力墻的彎矩對(duì)其下部的轉(zhuǎn)換梁有影響。與豎向荷載的規(guī)律是一致的。

在Y向地震作用下，模型2中6號(hào)梁兩端的彎矩均比模型1小，并未出現(xiàn)采用殼單元時(shí)6號(hào)梁左端彎矩比采用梁?jiǎn)卧蟮慕Y(jié)果。因6號(hào)梁是支撐在4號(hào)梁和5號(hào)梁上，為二級(jí)轉(zhuǎn)換梁，故查看兩個(gè)模型Y向地震作用下這3根梁的跨中的豎向位移，如表5所示。

因上部剪力墻是落在靠近5號(hào)梁的位置，所以5號(hào)梁的跨中豎向位移應(yīng)比4號(hào)梁大，表5的結(jié)果可以驗(yàn)證此結(jié)論。另外，從力學(xué)的角度，6號(hào)梁兩端有較大的位移差，那么位移大的一端的支座約束作用較弱，梁的負(fù)彎矩會(huì)比另一端小，這與表4中6號(hào)梁梁端的彎矩趨勢(shì)是匹配的，即左端負(fù)彎矩均小于右端。模型2中這3根梁的位移均比模型1小，且6號(hào)梁跨中與端部的相對(duì)位移差從0.38、0.05分別減小到0.33、0.02，故模型2中彎矩比模型1要小。

表5 Y向地震作用下豎向位移 mm

5 轉(zhuǎn)換梁位移

表6為恒載作用下豎向位移。

表6恒載作用下豎向位移mm

模型1模型2差值(%)1號(hào)梁5.703.7833.72號(hào)梁6.104.2330.73號(hào)梁7.826.2320.34號(hào)梁5.304.7310.755號(hào)梁9.036.8024.76號(hào)梁9.397.3621.6

從表6可以看出，模型2中的各根轉(zhuǎn)換梁，在恒載作用下的跨中豎向位移均比模型1小，差值在20%～34%之間。說(shuō)明采用殼單元后，轉(zhuǎn)換梁與上部剪力墻能更好地協(xié)調(diào)變形，共同抵抗豎向荷載。

圖4～圖5分別為兩個(gè)模型在恒載作用下3號(hào)梁的變形圖。從圖中可以看出，將轉(zhuǎn)換梁設(shè)置成梁?jiǎn)卧獣r(shí)，上部剪力墻與轉(zhuǎn)換梁中性軸變形協(xié)調(diào)，無(wú)法體現(xiàn)出梁頂面、梁底面的變形狀態(tài)，位移協(xié)調(diào)模式不對(duì)。將轉(zhuǎn)換梁設(shè)置為殼單元時(shí)，上部剪力墻底面與轉(zhuǎn)換梁頂面接觸，通過(guò)此界面的變形協(xié)調(diào)進(jìn)行內(nèi)力的傳遞，轉(zhuǎn)換梁的豎向位移比采用梁?jiǎn)卧獣r(shí)小。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，位移減小，彎矩值亦減小。這與前文所述的兩種模型彎矩值相差20%～65%是匹配的。

圖4 模型1中3號(hào)梁變形圖

圖5 模型2中3號(hào)梁變形圖

6 結(jié)論

在部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中，采用梁?jiǎn)卧M轉(zhuǎn)換梁，轉(zhuǎn)換梁與上部剪力墻的位移協(xié)調(diào)模式是錯(cuò)誤的，從而得到的內(nèi)力也是錯(cuò)誤的。若據(jù)此進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將使轉(zhuǎn)換梁的截面及配筋增大，不滿(mǎn)足強(qiáng)柱弱梁的抗震設(shè)計(jì)理念，甚至?xí)菇Y(jié)構(gòu)偏于不安全，因此不能采用梁?jiǎn)卧M轉(zhuǎn)換梁，應(yīng)采用殼單元模擬轉(zhuǎn)換梁，使轉(zhuǎn)換梁與剪力墻在接觸面變形協(xié)調(diào)，通過(guò)變形協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)內(nèi)力的傳遞,這樣計(jì)算出的內(nèi)力更加準(zhǔn)確，更有利于結(jié)構(gòu)安全、優(yōu)化設(shè)計(jì)。

[1] 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2011:110-111.

[2] 陳超云,傅學(xué)怡.轉(zhuǎn)換梁剛度對(duì)柱支剪力墻梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗震性能的影響[J].建筑科學(xué),2004,20(1):35-39.

[3] 李風(fēng)霞,寧懷明.鋼骨混凝土轉(zhuǎn)換梁與剪力墻作用的非線(xiàn)性分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(1):162-165.

[4] YJK-A建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件[M].北京:北京盈建科軟件股份有限公司,2015:350-358.

Differenceofbeamelementandshellelementinthecalculationoftransferbeam

WANGZongHEZhujie

(1.Beijing YJK Building Software Co.,Ltd,Chongqing 400000; 2.A+E Design Co.,Ltd,Shenzhen 518000)

Based on the actual building with transfer structure, transfer beams were calculated by using the beam element and shell element with YJK software, also the bending moment and displacement were compared. The result showed that difference of the bending moment and displacement was very large. For the first stage transfer beam, both vertical displacement in the middle span and bending moment was smaller by using shell element; while the end of the beam supported shear walls, the bending moment of the beam was smaller by using beam element. It was not in accordance with actual mechanics principle of the structure by using beam element. It was proposed that transfer beam should be calculated by shell element.

Beam element; Shell element; Transfer beam

TU37

A

1004-6135(2017)10-0035-04

王總(1986.3- )，男，工程師。

E-mail:zgandlan@163.com

2017-07-05