墙梁设计计算方法在多层民用建筑中的应用与探讨

墙梁设计计算方法在多层民用建筑中的应用与探讨

曹晖,白世和

(西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安)

在多层民用建筑中，如商铺-住宅、饭店-宾馆等采用混合结构时，往往在底层的钢筋混凝土楼面梁（称托梁）上砌筑砖墙，共同承受墙体的自重和由屋面、楼面传来的荷载。这种由支撑墙体的钢筋混凝土托梁与上方计算高度范围内的墙体组成的组合构件称为墙梁。根据支撑情况，又有简支墙梁、框支墙梁和连续墙梁。由钢筋混凝土框架梁与其上方计算高度范围内的砖石组成的组合结构称为框支墙梁。

《砌体结构设计规范》（GB 50003-2001）第7章中关于墙梁的设计计算方法，特别是墙体抗剪承载力计算公式不够完善，没有说明支座最大剪力如何取，仅按简支梁破坏时的极限承载力取支座剪力的最大范围，这显然不适用于框支和连续墙梁。另外，规范中并未考虑翼墙、构造柱的实际影响，只在满载情况下作了粗略的分析。本文将集中荷载位置及集中荷载在总荷载中所占比例折算成均布荷载来验算墙体抗剪承载力，考虑翼墙构造柱的双重作用，通过有限元计算分析框支墙梁内部的应力变化，找出各构件最不利剪力，探讨取消墙体抗剪承载力和局部压力的可能性，并尝试提出构造措施。 计算机计算结果为今后剪力公式的修订提供了参考。

1 正交设计与有限元分析模型 1.1 材料与构件尺寸

考虑到ANSYS分析的完整性，做了适当调整，设计并未严格按照（GB 5003-2001）规范进行。构件混凝土强度等级为C30（Ec=30000 N/mm2，γ=0.2），MU 10烧结多孔砖及M 5混合砂浆砌体墙（Et=3024N/mm2，γ=0.15），承重钢筋为Ⅱ级（Es= N/mm2，γ=0.3mm）。框架柱截面尺寸为500mm×500mm，托梁截面宽度为250mm，砖墙宽度为250 mm，墙体构造柱及圈梁截面尺寸分别为250 mm×250mm和250mm×150mm。底层框架柱总高度。 经初步分析，墙梁墙抗剪承载力主要受以下因素影响：托梁高跨比（hb/l）、墙高跨比（hw/l）、翼墙宽度By。荷载作用于二层墙顶。正交设计未考虑各因素间的相互作用，两等跨（6000 mm）正交设计见表1。

1.2 利用ANSYS软件进行三维有限元分析

该单元用于模拟混凝土梁柱及砌体墙，不考虑材料界面间的滑移。了解框支墙梁在竖向荷载作用下的中间支撑翼墙的卸载规律，并用积分法求得控制截面的内力。模型如图1所示。

1.2.1 简化计算

为了尽可能与实际结构情况相一致，并考虑到实际情况的复杂性，做了如下简化。

（1）框支墙梁由砖石和混凝土框架柱两种材料组成（忽略钢筋的影响）。

(2) 砖石和混凝土被视为均质材料。

（3）不考虑滑移，结构整体按弹性计算。（4）结构底端为固定端支撑。

1.2.2 在 ANSYS 中定义材料、选择元素和网格划分

单元选择：砌体和混凝土使用单独的模型。砌体使用三维 8 节点实体单元进行模拟。它用于具有抗拉强度的非均匀材料单元，例如混凝土和岩石。该单元由 8 个节点组成，每个节点在空间坐标中具有 3 个自由度，并沿三个正交方向变形。

单元划分：翼墙长25mm、宽25mm、高25mm，柱、托梁为50mm×50mm×50mm，墙体根据具体情况视构件划分。

2 结果分析与数据处理

有限元分析表明：在竖向荷载作用下，墙体在墙梁处的剪应力沿墙体由上而下逐渐增大，墙顶处剪应力接近于零，靠近支撑梁处剪应力最大，跨中附近剪应力较小，靠近支撑处剪应力较大，沿墙体高度范围剪应力分布规律相似。竖向荷载通过墙体的内拱效应将部分竖向荷载传递给支撑，产生对称、向外的剪应力，且左右两侧剪应力方向相反。墙体内竖向压应力在靠近支撑处最大，在跨中附近较小，各跨墙体的应力均向两侧支撑处聚集，表现出明显的内拱效应。 数值分析表明，两跨框支墙梁两侧支座的压应力和剪应力均大于中间支座，说明结构整体形成较大的拱形，将力传递到两侧支座，降低了中间支座的应力。墙体的受力表现如图2、图3所示[5]。

图1 框支墙梁（带翼墙）ANSYS模型

图2 竖向荷载作用下各墙体界面压应力分布

图3 竖向荷载作用下墙体各截面剪应力分布

现按正交表对无洞口墙梁进行计算（计算跨度为等跨度，Q2=30 kN/m），得到墙梁、墙体的支座剪力如表2所示。

表2最后一列按照（GB 50003-2001）规范中墙梁、墙体抗剪承载力公式计算。

式中：V2为荷载设计值Q2作用下墙梁支座侧剪力的最大值；ξ1为翼墙或构造柱影响系数，当bf/h=3时，单层墙梁取1.0，多层墙梁取1.3，当bf/h=7或设置构造柱时取1.5，当bf/h=8或设置构造柱时取3。

从有限元模拟结果（表2）可以看出，在圈梁顶部加上均布荷载后，8个构件的最大剪力十分接近，均小于规范公式要求的最大剪力值，满足承载力要求。带构造柱的两跨墙梁，墙梁支座处剪力大部分由构造柱承担，随着翼墙宽度的增加，翼墙的卸载效应越来越明显，尤其在中支座处，中支座处墙体承担的剪力越来越小，翼墙承担的比例越来越大。

3 结论

（1）两跨框支墙梁不仅在各跨出现拱作用，而且在整体结构中也出现一个大拱，这个大拱减轻了中支处墙体的承载力，增大了边支处墙体的剪力。

(2) 通过有限元计算可知，规范要求剪力曲线完全包覆最不利有限元剪力线，因此建议规范取消墙体的抗剪承载力验算。

(3) 由于规范极限承载力值高于有限元计算值且偏差较大，说明现行规范公式计算结果的安全储备量仍然较大，容易造成经济浪费，建议提出必要的构造措施。

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