某托柱轉(zhuǎn)換的型鋼混凝土桁架研究

陳 飛

大連理工大學土木建筑設(shè)計研究院有限公司，遼寧 大連 116024

隨著建筑需求的急劇增加與結(jié)構(gòu)計算的長足發(fā)展，大跨度鋼桁架、型鋼混凝土桁架在復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。由于各參建單位技術(shù)水平不一，對大跨度結(jié)構(gòu)的重視性不足，出現(xiàn)了一些工程事故[3]。為此，文章對某框剪結(jié)構(gòu)局部托柱轉(zhuǎn)換的型鋼混凝土桁架進行了數(shù)值分析并結(jié)合現(xiàn)場實測結(jié)果，研究了型鋼混凝土桁架的承載能力，可供類似工程設(shè)計與施工參考。

1 工程概況

某科研辦公樓位于大連市高新區(qū)，地下2 層，地上12 層。建筑物2 ～3 層右側(cè)局部采用了型鋼混凝土桁架托柱轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換桁架跨度18m（②～④軸），具體見圖1。該型鋼桁架的上下弦采用型鋼混凝土，型鋼為箱形截面：600mm×400mm×20mm×26mm（高×寬×腹板厚×翼緣厚）；豎腹桿也采用型鋼混凝土，型鋼為箱形截面：400mm×400mm×26mm×26mm（高×寬×腹板厚×翼緣厚）；上述鋼箱內(nèi)均填充C50 自密實混凝土；斜腹采用鋼梁：400mm×300mm×20mm×26mm（高× 寬× 腹板厚× 翼緣厚），鋼材強度等級為Q345。鋼結(jié)構(gòu)均為工廠加工后運至現(xiàn)場安裝。

圖1 型鋼混凝土桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）

為加快施工進度，擬取消原設(shè)置在③軸處施工臨時支撐點。為保證型鋼混凝土桁架的受力性能與結(jié)構(gòu)安全，對②～④軸的桁架結(jié)構(gòu)進行受力分析，同時，監(jiān)控、檢測該桁架層在施工過程中的變形情況。

2 轉(zhuǎn)換桁架受力分析

2.1 轉(zhuǎn)換桁架估算

適當簡化轉(zhuǎn)換桁架的邊界條件，保守考慮，將桁架簡化為簡支體系，具體見圖2（a）。按經(jīng)典力學，估算如下：對轉(zhuǎn)換桁架的框架柱僅考慮軸力F 的作用下，按結(jié)構(gòu)受力原理，可將零桿ac、cd、ef、gh、gj 拆除，對受力模型進一步簡化，具體見圖2（b）。

圖2 轉(zhuǎn)換桁架計算的力學模型

僅考慮型鋼的受力，不考慮其內(nèi)充及外包混凝土的作用進行計算。在軸力F 作用下，桿件cf 與fg 的軸力最大，按桿件應(yīng)力fcf與ffg達到鋼材屈服強度（fy=335MPa）反算，得出各桿件相應(yīng)軸力如下：Nab=Nij=-10737kN；Nbd=Nde=Neh=Nhi=-11446kN；Ncf=Nfg=22902kN；Nce=Neg=-15698kN；Nbc=Ngi=15698kN。

各桿件相應(yīng)應(yīng)力如下：fab=fij=-157MPa；fbd=fde=feh=fhi= -168MPa；fcf=ffg=335MPa；fce=feg=-251MPa；fbc=fgi=251MPa。此時，軸力計算公式如下：

讀取結(jié)構(gòu)設(shè)計計算模型中施工階段的被轉(zhuǎn)換柱柱底荷載，其標準組合最大軸力Fk為13500kN。可見，在被轉(zhuǎn)換柱的豎向荷載作用下，鋼桁架的承載力為設(shè)計荷載的1.59倍，有較大的安全裕量。

2.2 轉(zhuǎn)換桁架的有限元分析

利用有限元軟件，對型鋼混凝土桁架進行分析。

分別采用大型通用有限元軟件ANSYS[4]的Link8 桿單元（僅考慮桿件的拉壓、節(jié)點為鉸接）和Beam188 梁單元模型（考慮桿件的彎曲、節(jié)點為剛接），與ZEUSNL 軟件[5]的纖維單元模型計算，具體見圖3。其中，ANSYS 軟件模型僅考慮型鋼的受力，不考慮其內(nèi)充及外包混凝土的作用；ZEUSNL 軟件模型對前述內(nèi)充與外包混凝土予以考慮。得出在跨中荷載F 作用下的荷載-位移曲線，具體見圖4。

圖3 鋼桁架數(shù)值計算模型

圖4 各計算模型下的荷載-位移曲線

從圖4 的ANSYS 計算結(jié)果可見，雖然有限元模型的桿件單元差異較大，但得到的荷載-位移曲線比較一致，表明在桁架結(jié)構(gòu)承載能力計算中，采用桿單元的計算進度可達到與梁單元接近的效果。同時，按桿件單元的計算結(jié)果，與估算結(jié)果也基本吻合。

由于ZEUSNL 模型的纖維單元中考慮了鋼箱內(nèi)充與外包混凝土的作用，與ANSYS 的計算結(jié)果相比，其計算結(jié)果剛度略偏大，承載力稍偏高，但整體趨勢基本一致。

有限元計算分析的結(jié)果表明，不同軟件、計算模型中選取不同桿件單元時，鋼桁架的計算屈服承載力均超過20000kN，超過施工階段上部9 層結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的柱底軸力1.5 倍以上，安全儲備較高。

3 轉(zhuǎn)換桁架的實測結(jié)果

主體結(jié)構(gòu)施工時，利用全站儀與高精度水準儀，對轉(zhuǎn)換桁架的跨中撓度進行測量。同時，按讀取的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算模型施工階段被轉(zhuǎn)換柱的柱底荷載，標準組合最大軸力F=13500kN，假定上部9 層的每層荷載均為1500kN，并對比跨中撓度測量結(jié)果與各有限元模型的對應(yīng)計算值，具體見表1。

表1 跨中撓度實測值與有限元模型計算值的對比

由表1 可見，由于有限元模型計算簡化時，未考慮兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)對轉(zhuǎn)換桁架的約束，略去了實際結(jié)構(gòu)的約束邊界條件，導(dǎo)致轉(zhuǎn)換桁架的剛度與承載力相對實際結(jié)構(gòu)減弱很多，因此跨中撓度的有限元模型計算結(jié)果遠大于現(xiàn)場實際測量值。同時，由表1 可知，現(xiàn)場實際測量的跨中撓度在每層施工結(jié)束時，基本趨勢呈線性變化，表明結(jié)構(gòu)在各施工階段一直處于彈性狀態(tài)，未達到屈服。

4 結(jié)論

為加快施工進度、取消施工臨時支撐點時保證型鋼混凝土桁架的受力性能與結(jié)構(gòu)安全，文章對某托柱轉(zhuǎn)換的型鋼混凝土桁架進行研究，采用有限元軟件對其承載能力進行數(shù)值分析后，進行跨中撓度的現(xiàn)場實測，并與有限元軟件計算結(jié)果進行對比，得出以下結(jié)論：

（1）在型鋼混凝土桁架結(jié)構(gòu)的計算中，選用桿單元或梁單元模型，得出的計算結(jié)果與計算精度基本一致。

（2）估算有限元計算結(jié)果及現(xiàn)場實測結(jié)果均表明，施工階段該型鋼混凝土轉(zhuǎn)換桁架的承載能力富余。