不同交錯桁架鋼結構抗震性能研究

李國利++徐洪英

摘要： 交錯桁架鋼結構作為一種經濟、高效的鋼結構體系，突顯其結構內無柱特性，使結構內部獲得兩倍柱距的大開間，建筑內可據需靈活布置，被人們在酒店、醫院等建筑所推崇。文章利用有限元分析軟件SAP2000建立華倫式、帕式、混合式三種形式的交錯桁架鋼結構體系模型，對其分別運用反應譜和時程方法并結合用鋼量作對比分析，從安全、經濟合理綜合考慮，得出在實際工程中宜采用交錯桁架鋼結構體系。

Abstract： As a kind of economical and efficient steel structure system， the staggered truss steel structure emphasizes the column-free characteristics of the structure and enables the structure to have a large bay with double column spacing. It can be arranged flexibly according to needs in building， so it is favored in the construction of hospitals and hotels. In this paper， the finite element analysis software SAP2000 was used to establish the three types of staggered-truss steel structure system models， which are the Vallon， Palmer and hybrid. The response spectrum and time-history method combined with the steel amount are used for comparative analysis， and considering the economical benefit and safety， it is concluded that staggered truss steel structure system should be adopted in practical projects.

關鍵詞： 交錯桁架鋼結構；有限單元法；抗震性能；反應譜分析；時程分析

Key words： staggered-truss structure；finite element method；seismic performance；response spectrum analysis；time history analysis

中圖分類號：TU393 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）02-0121-03

0 引言

交錯桁架鋼結構體系既可做到使建筑結構獲得更大開間、進深，又可結合鋼結構的自身材料特性，形成經濟、實用、高效的新型結構體系。其在抵抗水平荷載作用時像一個懸臂梁[4]，柱子沿縱向布置在建筑兩邊，其作用相當于工字型懸臂梁的翼緣板，而跨度與建筑橫向寬度相等的柱間桁架如同懸臂梁的腹板。交錯桁架鋼結構體系一般有華倫式、帕式、混合式三種形式，本文對其抗震性能采用有限元分析軟件SAP2000作對比分析，對實際工程中運用交錯桁架鋼結構體系起到指導作用。

1 模型建立

利用SAP2000有限元軟件特性建立華倫式、帕式、混合式三種交錯桁架鋼結構體系的三維空間交錯鋼桁架結構模型。其結構相關參數為層高3m，共15層，橫向柱距為21m，總跨度為21m，縱向柱距為6m，總跨度為36m。結構中腹桿、弦桿、連梁、框架柱都選用了鋼材型號為Q345的H型鋼，構件尺寸詳見如表1。

三種模型的桁架布置方案具體如圖1。

設所建結構處于抗震設防烈度為8度，Ⅱ類建筑場地，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度為0.20g，阻尼比為0.04，Tg=0.04s。其主要荷載有：框架梁上的墻體線荷載6.0kN/m2；屋面活荷載0.5kN/m2，屋面恒荷載5.5kN/m2；樓面活荷載3.5kN/m2，樓面恒荷載5.0kN/m2。構件間連接為：腹桿與弦桿鉸接；弦桿與框架柱剛接；縱向的框架梁與框架柱剛接；框架柱與地面剛接。

2 對比分析

2.1 反應譜分析

在SAP2000中運用反應譜法對各模型的縱、橫向位移值、層間位移角作對比分析，相關數值對比如表2。

通過三種結構的位移圖和層間位移角對比可看出，帕式和混合式交錯桁架的最大層間位移角都遠小于規范的規定限值1/250，并且帕式和混合式結構的橫向比縱向的樓層位移及層間位移角降低的更為顯著，帕式比混合式降低效果稍微好一些，這說明在桁架中加入斜弦桿對結構的橫向剛度產生了明顯影響。

2.2 時程分析

在運用時程法對三種交錯桁架鋼結構對比分析時，根據地震波的選取方法，在SAP2000中輸入了較有代表性的三種地震波：蘭州波、唐山波和EL-Centr波。對三種結構布置分別進行8度多遇與8度罕遇地震反應分析，從頂層位移反應、頂層加速度反應、結構的樓層位移及層間位移角和結構的基底剪力四方面作對比分析。

2.2.1 頂層位移反應

三種方案的最大頂層位移數值見表3，相同布置方案在不同地震波或同一地震波多遇、罕遇作用下都表現出不同的地震響應。在相同地震波的作用下，華倫式交錯桁架的頂層位移明顯大于帕式和混合式交錯桁架，帕式比混合式頂層位移有所減少，但效果不是十分明顯。

2.2.2 層間位移及層間位移角

為較直觀的表現各結構層間位移角變化，將相關數據繪出地震作用下層間位移角變化曲線圖2。endprint

從圖2可看出，三種結構布置在El-Centro波、唐山波及蘭州波多遇、罕遇地震作用下，都能滿足規范規定的層間位移角限值（[？茲e]<1/50）。且對華倫式交錯桁架改進后，所構成的帕式、混合式交錯桁架，其層間位移角發生明顯減小，而帕式與混合式的層間位移角相差無幾。

2.2.3 頂層加速度反應

對三種不同結構布置形式在8度多遇與8度罕遇El-Centro波、唐山波及蘭州波地震作用下，進行頂層加速度反應對比分析，各情況下的頂層最大加速度見表4。

從表4頂層最大加速度可看出，不同地震波作用下，同一結構方案的頂層加速度峰值均不相同，相同地震波作用下，帕式和混合式相對于華倫式頂層最大加速度均明顯增大，且帕式增大幅度更突出。以上說明在帕式和混合式中加入了斜弦桿后，使結構剛度增大，結構對地震力的反作用力也同時增大。

2.2.4 結構基底剪力

在不同地震波、不同地震強度作用下，各結構的基底剪力有不同表現，其各自的最大基底剪力見表5。

通過表5可明顯看出，在同一地震波、地震強度作用下，帕式和混合式相對于華倫式基地剪力均明顯增大，且帕式與混合式對比增幅更為突出。通過數據分析可再一次得出，結構中添加斜弦桿后，其結構整體剛度明顯增大。可進一步得出，結構抗震性能的增強，同時也會給結構帶來較大的基底剪力，進而對結構基礎設計提出較高要求，即增加基礎的相關造價。

2.3 經濟指標分析

利用SAP2000中材料統計功能，將三種方案的用鋼量分別統計，見表6。

從表6對比可得出，帕式比華倫式用鋼量多29.20%，混合式比華倫式多18.40%。易得到，對抗震性能的提高基本相同的情況下，混合式比帕式用鋼材明顯節省，即更為經濟適用。

3 結論

本文利用有限元軟件SAP2000建立三個不同形式交錯桁架布置鋼結構模型。分別對三種不同結構進行反應譜分析和時程分析，主要從頂層位移、層間位移及層間位移角、頂層加速度、基地剪力等方面進行了對比分析，進而得出三種結構體系抗震性能的特點。其后對三種結構的用鋼量進行統計，綜合對比看出，在多遇及罕遇地震作用下，在桁架中增加斜弦桿形成的帕式和混合式交錯桁架對結構的抗震性能都起到了良好的效果。結合工程造價，混合式比帕式更加經濟合理，較好的提高結構抗震性能，又不會過于增大工程成本。所以實際工程中，在場地條件等其他外在條件允許的情況下，應是優先選用混合式交錯桁架。

參考文獻：

[1]莫濤，周緒紅.交錯析架結構體系的受力性能分析[J].建筑結構學報，2000，21（26）.

[2]許紅勝，周緒紅，劉永健.交錯桁架結構體系設計要點[J].建筑結構，2004，05.

[3]周緒紅，莫濤，蔡益燕，等.新型交錯桁架結構體系的應用[J].鋼結構，2000，02.

[4]魯建霞，茍慧芳.有限元法的基本思想與發展過程[J].機械管理開發，2009，24（2）.

[5]伯明，壬挺.高層建筑結構時程分析的地震波輸人[J].沈陽建筑大學學報，2010，26（6）.endprint