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竖向荷载作用下转换桁架受力和变形分析 　　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??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