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某工程结构转换大梁上部剪力墙受力分析

作者:临沂鹏程木业  来源:http://www.jianliqiang.net  发布时间:2020-08-10 08:40     浏览次数 :

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  本论文从某工程结构设计过程中SATWE计算中出现剪力墙剪压比较大的情况出发,发现剪力的突变是由转换梁变形造成,然后采用ETABS软件,建立整体结构模型进行分析;采用ANSYS软件进行局部精确分析。量化分析了各种软件计算的差异,判定了正确的计算假定。通过对比各模型剪力墙根部剪力,得出一定结论,并进行引申讨论。本论文对工程结构设计中转换梁上部剪力墙设计具有一定参考价值。
 

剪力墙


  关键词:有限元分析;剪力墙;转换梁

  一、概述

  近期在一个带转换梁结构的设计中,发觉某大跨转换梁上的两片剪力墙剪压比特别大。见图1三维示意图,建筑正立面底层,变形最大的梁及其上的两片剪力墙。转换梁跨度为9800,截面为1100x900(建筑需要控制梁高,故做宽扁梁),剪力墙墙厚200。

  经SATWE分析计算,该部位与转换大梁连接的底层(第一层)剪力墙,墙肢控制内力较大且剪压比超限。超限情况如图2所示。各工况下转换大梁上部剪力墙的内力如表1所示。

  由表1可见,第一层的这两片X向墙肢在恒载和Y向地震工况下的剪力很大,。左侧墙体恒活工况达到1714,居然大于地震工况剪力552的3倍;另一个奇怪情况是,应位置的第二层、第三层墙肢的恒活内力明显减小,似乎有一个突变。

  图1转换结构三维示意图(恒载工况下底部结构变形情况)

  一般情况,剪力墙是抗侧构件,在地震作用工况才会产生较大的剪力。查阅了该结构其它几片墙肢,一般地震作用工况的剪力是恒活工况的8~10倍。因此有必要对该大跨部位做深入分析。

  二、SATWE计算分析

  我们再仔细分析表1可见,两片墙肢恒载与活载工况的符号是不同的,说明剪力反向;而X向地震工况的剪力同号,说明方向相同。

  结合图1的变形示意,问题迎刃而解。由于转换梁跨度大,在较大的竖向荷载下产生了显著竖向变形,相对挠度达到3.16mm(恒载工况,弹性扰度)。这一变形使两片剪力墙相对倚靠,第一层剪力墙在洞口两侧明显有拉伸变形,产生了相对的剪力。这完全符合结构力学分析的结果。而第二层剪力墙,相对于第一层的竖向变形较小。这一对剪力就明显减小了。因此,这个“异常”的剪力及上下层剪力的突变都是转换梁变形造成的。这应该是一个“二次效应”。

  三、有限元分析模型

  前面找到了剪力“异常”产生的原因,那SATWE软件计算得到的这一对剪力的数值是否精确?这个剪力直接决定了剪力墙的厚度,影响了该范围的建筑布置。

  根据SATWE软件的说明,梁、墙柱的计算分析考虑了整体变形协调,但是墙柱仅与梁的中和轴变形协调。墙柱实际应该与梁的上表面变形协调,这可能存在计算误差。为此,有必要采用其它软件做一个计算比较。

  本次计算采用ETABS和ANSYS软件进行有限元分析。分析的参数由Satwe模型提取,由于这一变形主要影响恒活工况,故仅分析恒载工况下的内力。

  采用ETABS软件,建立整体结构模型进行分析。采用杆单元模拟梁、柱,壳单元模拟剪力墙,转换大梁分别采用杆单元和壳单元进行模拟。考虑到转换大梁所在位置为楼梯间,周边与其相连的楼板较少,采用刚性隔板假定可能会过大的估计构件水平向的刚度,因而在杆单元和壳单元模型的基础上,分别采用刚性隔板和准刚性隔板进行对比分析。

  采用ANSYS软件进行局部精确分析。取转换大梁及上部两层剪力墙为分析单元,模型如图2所示。转换大梁中的钢筋采用Beam188模拟,混凝土采用Solid65模拟,实常数设置为无筋;钢筋混凝土剪力墙采用Solid65模拟,剪力墙中的钢筋通过在混凝土单元Solid65单元中设置配筋率模拟。为进行对比分析,分别形成不考虑混凝土开裂和考虑混凝土开裂的模型进行计算。

  由此,形成分析模型如下:

  1)ETABS-杆-刚性模型:整体模型,转换大梁采用杆单元,刚性隔板假定;

  2)ETABS-壳-刚性模型:整体模型,转换大梁采用壳单元,刚性隔板假定;

  3)ETABS-杆-准刚性模型:整体模型,转换大梁采用杆单元,准刚性隔板假定;

  4)ETABS-壳-准刚性模型:整体模型,转换大梁采用壳单元,准刚性隔板假定;

  5)Ansys-Nocrack模型:局部结构模型,不考虑转换大梁和剪力墙混凝土的开裂;

  6)Ansys-Crack模型:局部结构模型,考虑转换大梁和剪力墙混凝土的开裂。

  图2 Ansys计算模型示意图

  图3混凝土单元开裂情况

  图4塑性应变矢量图

  图5修改模型三维示意图

  四、有限元软件计算分析

  1. 墙肢内力对比

  各模型剪力墙根部剪力对比如表2所示。通过对比可得到以下结论:

  1)通过分析得到的各模型中,第一层剪力墙两片墙肢的底部剪力均较大,符号相反,且与相应位置的上层墙肢相比有明显的突变;

  2)ETABS刚性隔板模型与Satwe模型(采用刚性隔板假定)结果相当,ETABS-杆-刚性模型分析结果更保守;

  3)ETABS准刚性隔板模型中,二层剪力墙剪力显著增加,这是由于考虑构件水平向变形后,两片剪力墙水平向相对变形,而洞口上方的梁阻碍变形的增加,使墙内剪力增大;

  4)Ansys模型与Etabs准刚性隔板模型结果相当;

  5)Ansys-Crack模型的墙肢剪力更大,这是由于考虑混凝土开裂后,转换大梁的挠度增加,使了剪力墙内部的剪切应变增大。

  2. 变形及剪应力分布对比

  通过对比各模型剪力墙根部剪力,可得到以下结论:

  1)各模型剪力分布情况相近,第一层剪力墙端部剪应力最大,二层剪力墙在洞口上端剪力较大;

  2)ETABS刚性隔板模型中,剪应力在楼层连接处存在突变而不连续,与实际情况不符。

  3. 混凝土开裂情况

  Ansys-Crack模型分析得到的混凝土开裂情况如图3所示,单元塑性应变矢量图如图4所示。由图可见:

  (1)转换大梁近支座部位产生了大梁的斜裂缝,混凝土受剪破坏严重;

  (2)转换大梁跨中底部混凝土受拉发生开裂,承担的拉力转而由底部钢筋承担;

  (3)第一层剪力墙左侧墙肢与转换大梁间发生开裂。除开裂部位外,剪力墙其他部位均以主压应变为主(黑色矢量代表主拉应变,蓝色矢量代表主压应变)。

  五、各软件分析结果小结

  通过对比分析,得到以下结论:

  1)Satwe模型(采用刚性隔板假定)与ETABS刚性隔板模型得到的剪力墙内力一致;

  2)Ansys模型与ETABS准刚性隔板模型得到的剪力墙内力一致;

  3)准刚性隔板模型接近实际情况,因此采用Satwe进行分析计算宜采用准刚性隔板假定。

  4)各软件计算数值有差异,但差异不是很大,工程设计可以接受。

  六、结构设计的引申讨论

  以上我们分析讨论了大跨转换梁上一对剪力墙的剪压比“异常”及楼层剪力突变的问题,找到了原因。进而又量化分析了各种软件计算的差异,判定了正确的计算假定。以下我们再分析一下如何相对有效地解决上述问题,以及做一些引申讨论。

  1)一般我们遇到剪压比超限,往往采用加厚剪力墙的方式解决。我们仅加厚底层的剪力墙进行了计算比较,结果见表3:(仅考虑恒载工况):

  这个方法对抗震是很有利的,但需要牺牲部分空间高度。增大转换梁刚度最好的方法还是减小转换梁跨度。

  3)此外,对于两片剪力墙之间的连梁,受力也有特殊性,其承受了额外的轴压力。

  即当转换梁变形时,两片剪力墙有相互靠近的趋势,中间的连梁则抵抗这一趋势,于是产生了轴压力。

  我们平时设计一般不关注梁轴力,SATWE计算时,只有该梁两侧均为洞口或板厚均为零时,才体现这一轴力的效应。具体数据见表5(抗震工况):

  根据计算连梁轴压力折算至截面的压应力大约是4~5MPa。对于连梁,剪切破坏是控制工况,所以连梁的额外轴压力是有利荷载,不同模型的连梁配筋也体现了这一点。但是,如果该梁的破坏工况是弯曲破坏,那轴压力可能就是不利荷载,必须考虑。

  4)连梁的轴压力大多是有益的,软件忽略对结构是增加了安全度。但是,如果这个轴力是轴拉力哪?软件忽略就可能造成工程隐患。

  对此,我们修改了模型,人为模拟了产生轴拉力的状况。见图5 。

  在大跨转换梁中间加了一个支座,减短了两片剪力墙的长度。这样当转换梁变形后,两片剪力墙有一个分离的趋势,对连梁即产生一个轴拉力。连梁内力值见表6。

  此时,连梁轴拉力设计值为186kN,折算至截面的拉应力大约是1.5MPa,大致相当于混凝土轴拉设计值。由SATWE的配筋输出结果可见,考虑轴拉力后,配筋加大了。

  一般情况,由于楼板与梁共同作用,结构存在轴力对梁的安全影响不大,我们多能忽略。而在特殊的情况下,这可能是一个结构的危险点所在。我们必须仔细分析,保证结构模型与实际的吻合,不能遗漏或忽略构件的不利内力。

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