作用在墙梁上的荷载是通过墙体内拱作用传递到两边支座,托梁与墙体形成带拉杆拱的受力机构。无洞口、居中洞和偏开洞简支墙梁的受力机构如图6.3.1所示。
图6.3.1 简支墙梁受力机制
a)无洞简支墙梁 b)居中洞简支墙梁 c)偏开洞简支墙梁
(一)无洞口简支墙梁
1.墙梁支座反力和内力分布
墙梁在竖向均布荷载作用下的受力机构为一拉杆拱(图6.3.1a),墙体的内拱作用与托梁的刚度有关。当托梁的刚度较大时,墙体的内拱作用减小,墙梁上的竖向应力σy呈较均匀分布。当托梁的刚度不大时,墙体的内拱作用增大,墙梁上的荷载沿主压应力轨迹线逐渐向支座传递,越靠近托梁,水平截面上的竖向应力σy由均匀分布变成向两端集中的非均匀分布,托梁承受的弯矩将减小。按墙梁竖向截面内水平应力σx的分布,墙梁上部墙体大部分受压,托梁的全部或大部分截面受拉,托梁跨中截面内的水平应力σx呈梯形分布。与此同时,在托梁与墙体的交界面上,剪应力τ变化较大,且在支座处形成明显的应力集中现象(图6.3.2)。
图6.3.2 简支墙梁在弹性阶段的应力分布
2.墙梁的受力特点
无洞口墙梁的顶部荷载由墙体的内拱作用和托架的拉杆作用共同承受,墙体以受压为主,托梁则处于小偏心受拉状态(图6.3.3)。
图6.3.3 无洞口简支墙梁主应力迹线
(二)有洞口简支墙梁
对于有洞口墙梁,洞口位置对墙梁的应力分布和破坏形态影响较大。
1.居中洞墙梁
洞口居中布置的墙梁,当洞口宽度不大于l/3(l为墙梁跨度)、高度不太高时,由于洞口处于低应力区,并不影响墙梁的受力拱作用(图6.3.4),因此其受力性能和破坏形态与无洞口墙梁相似。
2.偏开洞墙梁
(1)梁的受力特点。当洞口靠近支座时,成为偏开洞墙梁,墙梁形成大拱套小拱的组合拱受力体系(图6.3.1c),此时托梁既作为大拱的拉杆又作为小拱的弹性支座而承受较大的弯矩。由于洞口对墙体刚度和整体性的削弱,有洞口墙梁的变形较无洞口墙梁大。
(2)墙梁的内力分布。图6.3.4d、e为偏开洞简支墙梁的应力分布和主应力迹线图,可以看出,在跨中垂直截面,水平应力σx的分布与无洞口墙梁相似;但在洞口内侧的垂直截面上,σx分布图被洞口分割成两部分,在洞口上部过梁受拉,顶部墙体受压;在洞口下部,托梁上部受压,下部受拉,托梁处于大偏心受拉状态。竖向应力σy,在未开洞的墙体一侧托梁与墙梁交界面上,分布与无洞口墙梁相似;在开洞口一侧,支座上方和洞口内侧,作用着比较集中的竖向压应力;在洞口外侧,作用着竖向拉应力。在洞口上边缘外侧墙体的水平截面上,竖向应力σy近似呈三角形分布,外侧受拉,内侧受压,压应力较集中。托梁与墙体交界面上剪应力τxy分布图形也因洞口存在发生较大变化,在洞口内侧,有明显的剪应力集中。(www.daowen.com)
图6.3.4 有洞口简支墙梁的应力分布和主应力迹线
(三)连续墙梁
连续墙梁是由钢筋混凝土连续托梁和梁上计算高度范围内的墙体组成的组合构件。按构造要求,墙梁顶面处应设置拉通的圈梁,形成连续墙梁的顶梁。
现以两跨连续墙梁为例简单介绍连续墙梁的受力特点。
1.墙梁的受力特点和内力分布
两跨连续墙梁的受力机构为一双跨大拱套两个单跨小拱组成的复合拱体系(图6.3.5)。双跨大拱效应使梁上的荷载更多传向边支座,与普通连续梁相比,边支座反力增大,中间支座反力减小。尽管如此,中间支座的反力仍比边支座大得多(约为两倍)。
支座反力的变化导致墙梁的内力也发生变化,跨间的正弯矩加大,支座负弯矩减小。随着墙梁高跨比(H0/l0)越大,这种变化趋势越明显。
图6.3.5 两跨连续墙梁的受力分析
2.托梁的受力特点
由于大拱效应,托梁的全部或大部分区段处于偏心受拉状态。在受荷过程中,由于局部墙体开裂出现的内力重分布,可能在中间支座附近小部分区段出现偏压受力状态,但是对托梁的配筋一般不起控制作用。
如图6.3.6所示为连续梁的托梁内力图,受力机构为大拱套小拱的复合拱体系。这使得梁上的荷载更多传向边支座,与普通连续梁相比,边支座反力增大,中间支座反力减小。支座反力的变化导致墙梁的内力发生变化,跨间正弯矩加大,支座负弯矩减小。随着墙梁高跨比越大,这种变化越明显,中间支座甚至不出现负弯矩。
图6.3.6 连续墙梁托梁内力图(弹性计算结果)
(四)框支墙梁
框支墙梁是由钢筋混凝土框架和砌筑在框架上的计算高度范围内的墙体组成的组合构件。当墙梁的跨度较大,或荷载较大,或在地震区采用墙梁结构时常采用框支墙梁。
在框支墙梁中,墙梁的整体刚度远大于框架柱的刚度,柱端对墙梁的转角变形约束很小。试验和有限元分析表明,单跨框支墙梁的受力特点和破坏形态与简支墙梁基本相同,多跨框支墙梁的受力特点和破坏形态与多跨连续墙梁相似,不再赘述。
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