竖向荷载作用下转换桁架的受力和变形分析

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摘 要：转换层结构在工程中的应用越来越广泛，转换结构的形式也越来越多样化。相对于应用较广泛的梁式转换，桁架转换结构并不多见，对其进行的研究也不够深入。文章主要运用MIDAS/Gen，对应的上部结构为框架结构这种情况，分析转换桁架在竖向荷载作用下各杆件内力和桁架的竖向变形，为实际工程设计提供参考。

关键词：竖向荷载；桁架转换；受力特征；变行

中图分类号：TU323.4 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）03－0080－02

1 前言

随着建筑功能的多样化，建筑的结构形式需要在某一层发生变化，从而引起了竖向传力途径的变化，所以需要在结构发生变化的部位设置转换结构。梁式转换结构是工程中普遍采用的转换形式，但是当跨度较大，转换结构上不集中荷载较大时，转换梁的截面高度就会非常大，造成较大的刚度突变，转换梁的刚度远大于支撑柱的刚度，达不到强柱弱梁的设计要求，对结构的抗震性能不利。桁架式转换结构不仅有传力明确、传力途径清楚，而且转换桁架时开洞和设置管道方便，且它们的位置与大小具有很大的灵活性，使充分利用转换层的建筑空间成为可能。桁架式转换结构自重和抗侧力刚度比转换梁小，使带桁架转换层高层建筑的质量和刚度突变相对缓和，而因地震反应比带转换梁的高层建筑要小的多。本文也将着重分析桁架式转换层的受力特点。从经济指标来看，采用桁架转换层比采用梁式转换层和厚板转换层要经济。［1］目前国内实际工程中应用的空腹桁架转换结构型式主要有：空腹桁架、混合空腹桁架、斜腹杆桁架等。［2～4］

2 模型简介

本文旨在研究探讨桁架转换层在竖向荷载作用下的静力分析，为了排除干扰因素便于分析，建立的模型为含有桁架转换层的局部结构，根据不同的桁架转换形式，建立3个模型，分别为：空腹桁架支撑框架柱；斜腹杆桁架支撑框架柱；混合桁架支撑框架柱。

算例模型见图1。桁架高为3 m，跨度18 m，竖向腹杆间距为3 m，上部框架柱间距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，上弦杆截面400 mm×600 mm，下弦杆截面400 mm×600 mm，斜腹杆截面400 mm×400 mm，竖向腹杆截面400 mm×400 mm。各模型均采用C30混凝土，桁架各杆件采用一般梁单元。上部框架柱顶作用集中荷载500 kN，上部框架梁和桁架上弦杆上作用均布线荷载20 kN/m。

a. 空腹桁架支撑框架柱 b. 斜腹桁架支撑框架柱

c. 混合桁架支撑框架柱

图1 模型简图

3 分析结果

3.1 空腹转换桁架分析

空腹桁架MIDAS分析模型和分析结果，见图2～图5。

从图2中可看出，空腹桁架下弦杆主要受拉，拉应力中间最大，向两边递减，在端部会出现压应力（见图5）；上弦杆中间受压，向两端递减，两端出现拉应力；竖向腹杆所受轴力从中间向两边递增，靠近端部竖向腹杆所受压力最大。从图3中可看出，桁架所受剪力是从中间向两端递增。从图4中可看出桁架所受弯矩与转换梁相似中间小两边大，端部有负弯矩。从图5中可看出，空腹桁架在竖向荷载作用下跨中挠度较大。

图2 空腹桁轴力图 图3 空腹桁架剪力图

图4 空腹桁弯矩图 图5 空腹桁架应力变形图

3.2 斜腹杆转换桁架分析

斜腹杆桁架MIDAS分析模型和分析结果如下：

图6 斜腹杆桁轴力图 图7 斜腹杆桁架剪力图

图8 斜腹杆桁弯矩图 图9 斜腹杆桁架应力变形图

从图6中可看出，斜腹杆桁架下弦杆如空腹桁架，主要受拉，拉应力中间最大，向两边递减，在端部会出现压应力；上弦杆中间受压，向两端递减；斜腹杆所受轴力拉压相间，绝对值从中间向两边递增。从图7中可看出，桁架所受剪力是从中间向两端递增，但是所受剪力值明显低于空腹桁架剪力值。从图8中可看出，斜腹杆桁架所受弯矩很小，受力特征如空腹桁架。从图9中可看出，斜腹杆桁架在竖向荷载作用下跨中挠度比空腹桁架小的多。

3.3 混合桁架分析

混合桁架MIDAS分析模型和分析结果如下：

图10 混合桁轴力图 图11 混合桁架剪力图

图12 混合桁弯矩图 图13 混合杆桁架应力变形图

从图10～图13可看出，混合桁架的受力特征与斜腹杆桁架的受力特征相似，混合桁架受力变形与斜腹杆桁架受力变形相差不大，桁架跨中竖向位移两者接近。

4 结束语

通过对3种桁架转换形式在竖向荷载作用下的受力及变形分析，得出以下结论，为实际工程设计提供参考：

（1）不论哪种桁架转换形式，在竖向荷载作用下，桁架的下弦杆主要处于受拉状态。尤其是下弦杆中间部位会处于非常大的拉应力状态下，拉力值从中间向两端递减。上弦杆与下弦杆的受力特征相反，中间受压，压力值向两端递减，端部可能会出现拉应力。

（2）有斜腹杆的转换桁架在竖向荷载作用下所受剪力明显小于空腹转换桁架，桁架中的斜腹杆有承担桁架剪力的作用。斜腹杆能有效的提高桁架的受剪承载力。

（3）带斜腹杆的转换桁架在竖向荷载作用下的跨中挠度相对于空腹桁架非常小，桁架斜腹杆可以将上部框架柱底部的集中荷载有效的传递给与桁架下部支撑柱，具有卸荷的作用。

参考文献：

［1］曾科.梁式转换层和桁架转换层在竖向荷载作用下的内力分析［D］.长沙理工大学，2008.

［2］傅传国，蒋永生等.大跨度叠层空腹桁架整体转换结构的设计［J］.特种结构，2003（02）.

［3］Bakke H P, Kloiber L A, Nuhn A C. Staggered truss building systems［J］.Civil Engineering, ASCE, 1969（11）.

［4］Finite M. Staggered transverse wall－beams for multistory concrete buildings［J］.J of the American Concrete Institute. Proceedings, 1968.

The Force and Deformation Analysis of Conversion Truss under the Vertical Load

Qin Qifeng, Wang Lihua

Abstract: The conversion layer structure is more and more widely applied in the project, and the form of conversion structure diverse is various. Relative to the broader beam conversion, transfer trusses and rare, their study was not thorough enough. The article, mainly using MIDAS/Gen, the upper structure of the corresponding structure is framework, analyzes the rod internal forces and truss of conversion truss’ vertical deformation under vertical loads, to provide a reference for practical engineering design.

Key words: vertical load; truss conversion; force characteristics; deformation

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