鋼框—桁架組合結(jié)構(gòu)的靜力分析

張磊 黃勇 金曉

0 引言

輕型鋼框架結(jié)構(gòu)體系是采用型鋼做框架梁、框架柱、次梁等構(gòu)件,在一定跨度范圍內(nèi),該結(jié)構(gòu)形式較之傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)有明顯的綜合優(yōu)勢;同時(shí)隨之結(jié)構(gòu)的自重明顯減輕,尤其是對于軟土地基條件下的結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)造價(jià)會(huì)明顯減少。由于輕鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式簡單,其造價(jià)主要取決于用鋼量的大小。當(dāng)跨度較大的時(shí)候,鋼框架結(jié)構(gòu)中的框架梁的截面會(huì)較大,鋼框—桁架組合結(jié)構(gòu)是基于對鋼框架的研究與分析,將鋼框架中的次梁簡化為空腹桁架而得到的一種新的輕型鋼結(jié)構(gòu)形式。由于用鋼量大小直接與設(shè)計(jì)方案相關(guān),本文通過對一個(gè)37.5 m×12 m的建筑分別采用鋼框架結(jié)構(gòu)與鋼框—桁架組合結(jié)構(gòu)兩種方案設(shè)計(jì)分析,初步闡述鋼框—桁架組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。

1 算例分析

1.1 鋼框架計(jì)算模型

會(huì)議室為37.5 m×12 m矩形平面,采用12 m×7.5 m的柱網(wǎng)。框架梁采用500mm×200mm×11mm×17mm的H型鋼,次梁采用500mm×200mm×10mm×16mm的H型鋼,框架柱采用400mm×400mm×13mm×21mm的H型鋼,板采用120mm的鋼筋混凝土板。

荷載計(jì)算:

恒載:4.67 kN/m2;活載:上人屋面:2.0 kN/m2;暫考慮1.2恒載+1.4活載=1.2×4.67+1.4×2.0=8.40 kN/m2。

應(yīng)用通用有限元軟件ANSYS中建立模型,采用彈性算法,分別采用Beam188單元模擬梁和柱,Shell63單元模擬混凝土板,鋼材的本構(gòu)關(guān)系均采用各向同性的理想彈塑性模型。

1.2 鋼框—桁架計(jì)算模型

采用同樣的柱網(wǎng),把橫向次梁換成桁架,桁架采用150mm×150mm×5mm方鋼管,框架梁采用 500mm×200mm×11mm×17mm的H型鋼,框架柱采用400mm×400mm×13mm×21mm的H型鋼,板用70mm的混凝土板。三維示意模型如圖1所示,因該結(jié)構(gòu)形式采用的混凝土板較薄,恒載減少了0.05 m×25 kN/m3=1.25 kN/m2,恒載為4.67-1.25=3.42 kN/m2,活載取 2.0 kN/m2。

考慮荷載組合:1.2恒載+1.4活載=1.2×3.42+1.4×2.0=6.90 kN/m2。

采用Beam188單元模擬框架梁、框架柱以及空腹桁架,用Shell63單元模擬板,分析得到結(jié)構(gòu)的豎向位移。

2 構(gòu)造處理

2.1 節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

整體結(jié)構(gòu)是通過節(jié)點(diǎn)將各個(gè)獨(dú)立的構(gòu)件連接成一個(gè)有機(jī)整體的。因此,結(jié)構(gòu)能否按設(shè)計(jì)預(yù)期的要求來承受外部荷載,節(jié)點(diǎn)的受力性能至關(guān)重要。本算例需要考慮的是桁架與框架梁的節(jié)點(diǎn)處理,以及鋼框架柱與鋼筋混凝土基礎(chǔ)的節(jié)點(diǎn)處理。

桁架與框架梁的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為鉸接,采用上弦支撐的形式。上弦支撐使得荷載通過桁架傳給框架上翼緣,要適當(dāng)增加節(jié)點(diǎn)處的尺寸,以滿足強(qiáng)度需求。另外對節(jié)點(diǎn)處的框架梁進(jìn)行局部加肋,以防止框架梁的局部壓屈(如圖2所示)。

框架梁與框架柱的節(jié)點(diǎn)處理參考鋼框架的設(shè)計(jì),在此不再贅述。

2.2 支撐

為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)剛度,設(shè)置側(cè)向支撐,與框架共同抵抗水平力。橫向有12根框架柱抵抗橫向水平力作用,考慮在兩端增設(shè)橫向支撐;框架柱在抵抗縱向水平力時(shí),沿弱軸受彎,對縱向剛度的貢獻(xiàn)不大,因此考慮增設(shè)縱向支撐。

在水平荷載作用下,支撐對提高結(jié)構(gòu)整體剛度有很大貢獻(xiàn),有利于結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。因此支撐作為抗側(cè)力的一道防線顯得尤其重要。支撐結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最為普遍的是交叉支撐和人字形支撐。在輕鋼結(jié)構(gòu)中加上支撐結(jié)構(gòu),分析其對整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力貢獻(xiàn),對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的構(gòu)造處理。

3 對比分析

由位移云圖對比可知,鋼框架的最大豎向位移為27.269mm,而鋼框—桁架的最大豎向位移為26.719mm,比鋼框架的最大豎向位移少近0.55mm,相差不大。將這兩種結(jié)構(gòu)形式的板厚、型鋼用量、單方板的鋼筋量、單方總用鋼量以及屋蓋自重進(jìn)行比較,見表1。

表1 兩種結(jié)構(gòu)形式比較表

由表1的數(shù)據(jù)可知:1)鋼框—桁架組合結(jié)構(gòu)中板的跨度比鋼框架要小,因此板厚取值較鋼框架的板厚大為減小;2)板厚的減小,直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)荷載下降26.3%,尤其是在軟土地基條件下,結(jié)構(gòu)自重的減輕對基礎(chǔ)造價(jià)的影響是很大的,該結(jié)構(gòu)形式具有較強(qiáng)的競爭力;3)這兩種結(jié)構(gòu)經(jīng)比較,鋼框—桁架結(jié)構(gòu)的單方用鋼量較鋼框架結(jié)構(gòu)下降近16%,在經(jīng)濟(jì)性上也有很大優(yōu)勢;4)桁架本身是一種格構(gòu)式受彎構(gòu)件,由于其平面內(nèi)的剛度較大,較H型鋼梁具有一定優(yōu)勢;同時(shí)該結(jié)構(gòu)形式本身可體現(xiàn)建筑的結(jié)構(gòu)美感,不用做太多裝修,即使裝修,桁架的下弦桿也可充當(dāng)龍骨,在一定程度上節(jié)約層高。

4 結(jié)語

本文主要是提出采用鋼桁架替代傳統(tǒng)的鋼框架的橫向型鋼梁。為了體現(xiàn)鋼框—桁架組合結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)并觀察橫向型鋼梁由空腹桁架替代后的效果,本文對鋼框—桁架組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析時(shí),應(yīng)用有限元軟件ANSYS對一個(gè)等跨等柱距的算例,分別采用鋼框架和鋼框—桁架兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行建模分析。通過比較,鋼框—桁架組合結(jié)構(gòu)具有較明顯的優(yōu)勢。此外,本文提出了鋼框—桁架組合結(jié)構(gòu)的構(gòu)造措施以及相關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理。但要應(yīng)用于工程實(shí)踐還需要對其動(dòng)力特性進(jìn)行深入討論,尤其是在地震區(qū),要進(jìn)行抗震性能的驗(yàn)算;在用ANSYS分析鋼框—桁架時(shí)板與桁架是協(xié)同工作的,在施工過程中要保證板與桁架上弦的可靠連接,保證板與桁架的共同工作;另外對于框架與空腹桁架的節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行處理,以保證二者的剛性連接。

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