型钢混凝土托柱转换梁的受力性能及设计探讨

型钢混凝土托柱转换梁的受力性能及设计探讨

作者：陈孟荣

来源：《建筑工程技术与设计》2014年第10期

【提要】从工程实例和理论分析入手，对型钢混凝土托柱转换梁的受力特点、截面设计方法、整体计算软件及其相关参数的选取等进行了细致的分析。以一幢9层托柱转换梁结构为研究对象，采用中国建筑科学研究院编制的SATWE软件（多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件）对型钢混凝土转换梁进行设计，分析了转换梁弯矩与跨高比关系、转换梁剪力与跨高比的关系。给出了型钢混凝土转换梁的构造要求和设计建议，可供工程设计时参考使用。 【关键词】型钢混凝土；托柱转换梁 1 托柱转换梁的受力特点和截面设计方法

托柱转换梁的受力特点：在托柱转换梁结构中，转换梁的受力特点与上部框架梁的刚度以及两侧柱对它们的约束程度紧密相关。根据转换梁刚度与框架梁的刚度比和两侧柱对梁的约束程度，可以分为转换梁结构和空腹桁架结构，转换桁架承受较大的弯矩、剪力和轴力，属偏心受力构件，按偏心受力构件设计，应在三维空间分析程序计算的基础上，采用高精度有限元程序进行补充计算，求得较为精确的内力。在梁式转换结构中，当转换梁承托上部普通框架且转换梁在常用截面尺寸范围内时，转换梁所受轴力较小，其受力和普通梁相同，故可按普通梁设计[1]～ [4]，采用三维空间分析程序计算出的内力，直接设计。 2 结构计算软件的选择和相关计算参数的选取 2.1 整体计算软件

在多、高层结构分析中，对剪力墙和楼板的模型化假定是关键，它直接决定了多、高层结构分析模型的科学性，同时也决定了软件分析结果的精度和可信度。目前在工程中应用较多的多、高层结构分析软件主要有三类：一类是基于薄壁柱理论的三维杆系结构有限元分析软件第二类是基于薄壁板理论的结构有限元分析软件，把无洞口或有较小洞口的剪力墙模型化为一个板单元，把有较大洞口的剪力墙模型化为板-梁连接体系。这类软件对剪力墙的模型化不够理想，没有考虑剪力墙的平面外刚度及单元的几何尺寸影响，对于带洞口的剪力墙，其模型化误差较大。第三类是基于壳元理论的三维结构有限元分析软件，由于壳元既具有平面内刚度，又具有平面外刚度，用壳元模拟剪力墙和楼板可以较好地反映其实际受力状态。基于壳元理论的多、高层结构分析模型，理论上比较科学，分析精度高。但美中不足的是现有的基于壳元理论的软件均为通用的有限元分析软件，虽然功能全面，适用领域广，但其前后处理功能较弱，这在一定程度上限制了这类软件在高层结构分析中的应用[5]～ [9]。

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SATWE软件是中国建筑科学研究院PKPMCAD工程部专门为多、高层建筑设计而研制的空间组合结构有限元分析软件，高层结构的受力构件有柱、梁、支撑（包括斜柱、斜梁等）、剪力墙和楼板，柱、梁及支撑为一维构件，用两端带刚臂的空间杆单元来模拟。剪力墙采用壳元来模拟，这比较符合剪力墙实际的应力状态，在程序中，采用静力凝聚原理构造了一种超单元，称之为通用墙元。墙元不仅具有墙所在平面内刚度，也具有平面外刚度，能较好地模拟剪力墙的真实受力状态，下面工程分析计算采用SATWE软件。下面的工程整体计算以SATWE软件为例，进行分析。

2.2 相关计算参数的选取要求

（1） 结构类型：应选复杂高层结构，并标明转换层所在层号，以便软件在分析时按规范设置调整参数，转换梁在特一级和一、二级抗震设计时，其在水平地震作用下的内力分别放大1.8、1.5、1.25倍。工程中最常用的转换层是采用托墙梁即框支剪力墙结构，如果转换层托梁占有一层，则可以和下一层合并，此时该层层高加大，柱端弯矩偏大，偏于安全。对于转换层托梁的设计，可在SATWE计算后，采用高精度平面有限元FEQ进行更细致的内力及配筋计算。

（2） 层刚度比控制：程序对刚度比的控制，都涉及到楼层刚度的计算方法，目前看来，层刚度有三种算法a、剪切刚度b、剪弯刚度c、地震剪力与地震层间位移的比 （按抗震规范的3.4.2和3.4.3条文说明及高规建议的方法）。对于一般工程采用第三种计算方法，对于转换层采用第一、二种方法，具体讲，底部大空间为一层时采用第一种方法，底部大空间大于一层采用第二种计算方法。

（3）对型钢混凝土构件的计算，SATWE程序在进行弹性阶段的内力和位移计算时，程序中对型钢混凝土采用型钢部分刚度和钢筋混凝土部分刚度之和，即EI=EcIc+EaIa，EA=EcAc+EaAa，GA=GcAc+GaAa 。截面设计均采用冶金部标准《钢骨规程》。

（4）对高精度有限元分析软件FEQ，网格划分越细精度越高，网格划分最好能使每个单元的两直角边之比不大于3，并注意对由EATWE.DATA（直接读取的TAT或SATWE软件的外荷载数据文件）传来的荷载进行校核分析。

（5）采用时程分析软件分析时，应注意地震波选取的代表性，应选取能代表建筑物所在场地的地震波，至少选取三条地震波，并使该地震波的平均周期尽量与场地的卓越周期Tg接近。要求每条地震波的基底剪力不应小于反应谱法的80%，通过“地震力放大系数”来放大每条地震波作用下的结构反应[8]。

（6）转换层及转换层上一层、下一层楼板应采用弹性楼板假定。 3 托柱转换梁实例分析

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某九层框架结构，抗震设防烈度为7度，建筑场地类别为III类，建筑物抗震设防类别为丙类。一层、二层为商业用房，三层以上为办公用房，在建筑中立面正中位置六层以下因立面需要局部收进，故须在三层（二层顶）和六层（五层顶）设有梁式转换构件，如图3.10-3.13所示。建筑物一、二层层高均为4500mm，三至九层层高3600mm。总高34.2m。○C轴一、二层为商业用房，建筑上不允许设柱，三层以上如果也不设柱，○B-○E跨度为9600mm，设一跨则框架梁太高，影响办公部分设集中空调并吊顶后的净高，若增加层高，则增加造价较多，且满足不了该地区限高35m的规划规定，故决定在二层顶设转换梁（转换梁-1）承托○C轴柱。一至五层○E轴在○5-○8间收进至○D轴。六至九层○E轴在○5-○8间设有框架柱，故在六层（五层顶）设有转换梁，○E轴转换梁（转换梁-3）跨度23.4m。○4、○5轴转换梁（转换梁-2）跨度5.4m。本工程三、六层设有转换结构构件—转换梁，设计分析如下： 3.1 概念设计

从平立面规则性来看，本工程高度34.2m，宽度16.2m，高宽比为2.11 3.2型钢混凝土转换梁的设计

（1）将二层9.6m型钢混凝土转换梁设计

a 按初选h=600mm、700mm、800mm、900mm、1000mm、1100mm、1200mm（即跨高比分别为16、13.7、12、10.7、9.6、8.73、8），宽度按600mm选取，型钢级别取Q235B，型钢板件厚度取40mm，型钢高度、宽度均按上下左右均留100mm混凝土保护层考虑，混凝土取C30，箍筋采用4 8@200，用SATWE程序作整体计算。型钢构件的受弯、受剪承载能力均按《型钢规程》计算。截面，经计算挠度、裂缝宽度等均满足设计要求，从上表的比较中还可以清楚看出，转换梁的跨度较大时，其跨高比可以大一些。通过托柱与托墙的比较可以看出，对托柱转换梁的跨高比控制应更严一些，也就是说同等条件下托柱转换梁的截面高度应大一些，这是由于上部柱传给转换梁的力为集中力，而托墙转换梁在大多数情况下可以看作是承受均布荷载。考虑托柱转换梁的重要性及其构造，建议一般型钢混凝土托柱转换梁跨高比在抗震设防时不大于6，同时截面高度不宜小于600mm，如果截面高度太小，型钢截面高度也不会大且距中和轴近，这样就不能充分发挥型钢作用；对非抗震设计工程，建议一般型钢混凝土转换梁的跨高比不大于8，同时截面高度不宜小于600mm。对于跨度大，上部承托层数较少的转换梁，跨高比可以大一些，可按普通框架梁控制。 3.3 托墙转换梁与托柱转换梁的区别

托墙转换梁由于转换梁与上部墙体共同工作，使转换梁构件中承受较大的轴力，因此只有局部高精度有限元分析方能得到转换构件的全部内力，由于与上部墙体共同工作，转换梁的跨高比可以较托柱转换梁大一些。一般情况下，转换梁的截面主要由剪力控制，托柱转换梁为杆系有限元模型，可直接取用整体计算的内力进行设计，由于转换梁承受较大的集中力，考虑到剪跨比的影响，托柱转换梁的截面跨高比应比托墙转换梁小一些

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4.型钢混凝土托柱转换梁的设计建议

型钢混凝土转换梁除必须满足一般型钢混凝土梁的构造要求外，由于其受力复杂，根据其受力特点，构造要求如下：

（1）型钢混凝土转换梁与支承的柱截面中线宜重合，梁的截面宽度不宜小于400mm，对于托柱转换梁应不小于梁宽方向托柱的宽度。

（2）型钢混凝土转换梁的截面高度不宜小于600mm，建议一般托柱型钢混凝土转换梁抗震设计时跨高比不大于6，非抗震设计时跨高比不大于8。

（3）对于转换梁这种受力复杂的构件，不论是否考虑抗震设计均应采用充满型实腹式型钢。

（4）Q345B级型钢强度较Q235B提高30-40%，但造价提高并不多，从经济和含钢率角度考虑，转换梁中型钢宜采用Q345B。

（5）型钢混凝土转换梁荷载大，受力复杂。为增加混凝土和剪压区型钢上翼缘的粘结剪切力，宜在型钢上翼缘增设栓钉。

（6）为保证转换层有更好的抗震性能，型钢混凝土转换梁应确保“强剪弱弯”、“节点更强”。转换梁不宜开洞。

（7）加强构造，适当加大梁上下部配筋率和梁侧的配筋，确保型钢混凝土转换梁受力合理可靠，减少减小裂缝。

（8）型钢混凝土转换梁的截面的初步设计，可采用《钢骨规程》，然后用《型钢规程》进行配筋计算。 参考文献

[1] 傅传国、鞠好学、宫志超，高层建筑托柱转换结构力学特点的分析与比较，山东建筑工程学院学报，2003年第2期。

[2] 傅传国、蒋永生、梁书亭，大跨度叠层空腹桁架整体转换结构的设计，特种结构，2003年第2期。

[3] 傅传国、蒋永生、梁书亭，大跨度叠层空腹桁架整体转换结构模型受力与抗震性能试验研究，建筑结构学报，2004年第1期。

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[4] 陈超元、傅学怡，转换梁刚度对框支剪力墙梁式转换结构抗震性能的影响，建筑科学，2004年第1期。

[5] 包世华，新编高层建筑结构，北京，中国水利水电出版社，2001。

[6] 戴国亮、蒋永生、傅传国、梁书亭，高层型钢混凝土底部大空间转换层结构性能研究，土木工程学报，2003年第4期。

[7] 中国建筑科学研究院PKPM CAD工程部系列软件用户手册及技术条件。

[8] 张家华、吕志涛、朱筱俊，关于转换层结构时程分析的计算建议，东南大学学报，1997年第11期。

[9] 赵鸿铁、胡安妮，高层建筑转换层结构形式选择影响因素的统计分析，西安建筑科技大学学报，2000年第1期。

[10] 鈴木英之、西原寬、松畸育弘，柱高さの途中まで存在する鉄骨がRC柱のせん断性状に及ぼす影響，コンクリート工学年次論文报告集，1999（3）。

[11] Johnson R P. Composite Structures of Steel and Concrete. Volume 1-Beams， Slabs， Columns and Frames for Building.2nd edition. OXFORD： Blackwell Scientific Publications， 1995.