空心圓管混凝土扁梁的抗彎性能分析

楊 勇

（貴州工業職業技術學院，貴州 貴陽 550008）

引言

近年來，隨著新建筑材料和建筑技術的快速發展，越來越多的高層建筑和超高層建筑結構出現在城市之中。由于受建筑物層高的影響，高層建筑的總高度和使用面積在很大程度上取決于建筑物的層高。如：北京京廣中心，鋼—混凝土混合結構，總高度為208 m，地上結構為57層[1]。而上海國際航運大廈同樣是鋼—混凝土混合結構，總高度208 m，地上結構卻只有50層[1]。綜合分析兩棟建筑層數的差異，其原因是兩棟建筑采用不同的層高。因此，在保證室內使用空間的前提條件下，降低建筑物層高將取得很好的經濟效果。近期內寬扁梁設計和施工在很多工程中得到應用，如貴州世貿廣場。本文就一種新型的寬扁梁——空心圓管寬扁梁的抗彎性能進行分析。

1 用等代剛度法進行截面簡化

圖1 空心圓管混凝土扁梁與一般扁梁對比

如圖1所示，空心圓管混凝土扁梁與一般的扁梁相比，在不影響承載力的前提條件下，可以減少混凝土的用量，降低結構的自重，改善構件的受力。而且如果在空心處填入泡沫材料，還可以起到保溫的效果。本文就空心圓管混凝土扁梁在豎向荷載作用下的抗彎性能進行分析。

（1）用等代剛度法將空心圓管混凝土扁梁截面轉換成高度相等的工字形截面。

圓管對自身截面形心的慣性矩：

用剛度相等的原則將圓管的截面慣性矩轉換成方管的截面慣性矩

方管截面截面的慣性矩：

用等代剛度法進行截面換算時，方管的截面形心與圓管的截面形心位置保持不變，對于Y向非對稱截面（見圖2），其截面慣性矩應為：

圖2

經過統計分析表明：方管與圓管的截面面積經過

換算后，方管的截面面積和圓管的截面面積相差不大，即經過換算后的方管扁梁截面的慣性矩與圓管扁梁截面的慣性矩相差不大。

將方管截面扁梁轉換成工字形截面梁（如圖三）：

圖3 工字形截面梁

（2）用等代剛度法將空心圓管混凝土扁梁截面轉換成高度相等的矩形截面。

空心圓管混凝土扁梁的截面慣性矩：

圖4 空心圓管扁梁截面尺寸

轉換后的矩形截面慣性矩為：

利用截面慣性矩相等的原則：

I圓=I矩得：

2 算例分析

一個柱網尺寸為7200 mm×7200 mm的結構平面布置圖4，柱的截面尺寸為800 mm×800 mm，扁梁的截面尺寸為800 mm×450 mm，如圖4所示。梁上受到的線荷載取25 KN/m，混凝土采用C30級，鋼筋采用HRB335級鋼筋。

圖4所示的空心圓管混凝土扁梁其截面利用等代剛度法換算后，工字形截面的上下翼緣寬度均為800 mm，截面高度為450 mm，上翼緣高度為270 mm，下翼緣高度為50 mm，腹板寬度為410 mm。換算后的矩形截面高度為450 mm，寬度為770 mm。運用中國建筑科技研究院研發的結構計算軟件PKPM－SATWE進行結構的內力（彎矩）分析，其結果如圖5所示。

工字形截面建模的扁梁彎矩圖（KNoM）

圖5 矩形截面建模的扁梁彎矩圖（KNoM）

運用有限元分析軟件ANSYS對空心圓管混凝土扁梁經等代剛度法轉換后的工字形截面和矩形截面進行分析，其分析結果如圖6所示。

圖6

綜合結構計算軟件PKPM－SATWE和有限元分析軟件ANSYS以及手算結果來進行分析，其結果如表1所示。

表1 指標分析表（KNoM）

3 幾種分析方法的結果對比

從分析結果來看，手算結果和有限元分析軟件ANSYS分析的結果相當接近，而且按照等代剛度法換算的工字形截面和矩形截面無論是用SATWE還是ANSYS進行分析，其結果都非常接近，從而證明了用等代剛度法進行空心圓管混凝土扁梁截面換算的正確性。從表一中，可以看出用結構計算軟件SATWE與有限元分析軟件ANSYS得出的結果有一定程度的出入，這主要是SATWE計算時，考慮到工程實際情況，按照塑性理論進行結構計算。而ANSYS和手算時是按照彈性理論來進行計算。

如果按照常規的設計方法，跨度為7200mm的梁，其截面尺寸大概應該取到350mm×750mm，如果按這個截面尺寸來進行分析，其計算結果如圖7所示。

圖7

從計算結果來看，無論是跨中最大正彎矩還是支座最大負彎矩，其值都要比使用空心圓管混凝土扁梁的計算值要大。這也說明了空心圓管混凝土扁梁在實際工程中運用的可能性。

4 結語

隨著建筑技術和建筑材料的快速發展，高層建筑結構和大開間建筑將越來越多的出現在我們的生活之中，本文對一種新型的寬扁梁——空心圓管混凝土寬扁梁的抗彎性能進行分析，分析結果表明其在實際工程中應用的可能性。并認為空心圓管混凝土寬扁梁在改善結構層高的同時，還可以起到一定的隔熱保溫效果。本文分析結果對空心圓管混凝土扁梁的設計和施工提供一定的參考價值，相信該種新型扁梁將在工程中得到應用。

[1]吳承霞，陳式浩.建筑結構[M].北京：高等教育出版社，2001.

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