钢筋混凝土桁架在建筑结构加固中应用论文

钢筋混凝土桁架在建筑结构加固中应用论文

【摘要】在建筑结构改造加固中，采用单层钢筋混凝土桁架梁来解决拆除柱子形成大跨度的梁，这是有效的方案。桁架为超静定结构，空腹杆、斜腹杆的截面尺寸及其布置对格架内力分布产生很大的影响，设计时应充分考虑各方面条件，优化杆件截面尺寸和布置形式。在进行改造加固设计时，要注意对细部节点加固。

1工程概况

某建筑写字楼其平面形状比较规则对称，地上8层，全现浇混凝土框架结构，首层层高3.9m，其余各层均为3.0m，自首层地面到主要屋面的总高度为27.8m。原结构六层及六层以下混凝土的强度等级为C35，七层及七层以上混凝土强度等级为C30，柱子截面尺寸为600mm×600mm，主梁截面尺寸为300mm×700mm，次梁截面尺寸为240mm×600mm，楼板厚度均为120mm。现在对梁进行改造加固处理，经过初步分析，若采用传统的比较成熟的增大截面加固法，其截面高度至少为1.5m以上，形成转换梁，这样的话，其截面尺寸是柱的两倍多，造成较大的刚度突变，梁的刚度远大于柱的刚度，违背了设计规范中的强柱弱梁的要求。考虑到结构本身的特点，单层钢筋混凝土桁架结构传力明确，开洞设置管道方便，能很好的满足建筑空间要求，其自重和抗侧刚度比转换梁小，使质量和刚度突变相对缓和，地震反应比转换梁要小的多，因而在横向选用两个钢筋混凝土桁架转换梁。

2钢筋混凝土桁架结构的形式

钢筋混凝土桁架多用于屋架、转换层结构和和塔架，受荷时以弯曲变形为主，类似于梁的受力特性，但又有桁架的受力特点，其受力明确，传力途径清晰。主要由上弦杆、下弦杆、直腹杆或斜腹杆组成。主要结构形式有空腹桁架、斜腹杆桁架和混合桁架。在实际工程中，在下弦杆中施加预应力能抵消下弦拉力和部分弯矩，使下弦由偏心拉杆转变为偏心压杆，提高了刚度，有效控制裂缝。

3在竖向荷载作用下钢筋混凝土桁架的受力分析

3.1空腹桁架的受力特征

3.1.1减少竖腹杆间距对空腹桁架的受力性能影响

如图1所示，对1-3三种桁架模型进行受力分析可知，下弦杆主要承受拉力，还承受弯矩和剪力，中间部位的拉力非常大，向两端递减，两端会出现压应力，承受弯矩和剪力的特性类似于梁，随着腹杆间距的减少，加大了空腹桁架梁的整体刚度，使下弦杆的拉力趋向均匀，减小了下弦杆的弯矩、剪力和跨中挠度。上弦与下弦的受力特征相反，中间受压，压力值向梁端递减，端部出现拉应力，随着腹杆间距的减少，压力值趋向均匀。竖腹杆承受弯矩、剪力和轴力，内力分布从中间向梁端支座递增，即靠近支座腹杆的内力最大，随着腹杆间距的减少，腹杆的内力加大。1-3种桁架模型的挠度均比较大。

3.1.2腹杆间距不等对空腹桁架受力性能的影响

如图1所示，模型4（竖腹杆中间密两边稀）与模型5（竖腹杆中间稀两边密）进行对比分析得，在支座部位力口密竖腹杆，可增加

札架的刚度，能有效的减少桁架的跨中挠度，但加密中间的竖腹杆，对桁架结构受力性能影响小。

图1-钢筋混凝土空腹桁架模型

3.1.3改变精架的截面尺寸对空腹桁架受力性能的影响

加大下弦杆的截面尺寸，对桁架的受力性能是有利的，但不宜增大太多，否则下弦很容易形成独立梁的受力特性，失去桁架的特性。增大上弦杆的截面尺寸，相当于增大其刚度，内力相应增大，从而减小了下弦杆的内力，有利于增强空腹桁架的共同工作效应。加大竖腹杆的截面尺寸，即增大竖腹杆的刚度，使竖腹杆与弦杆的相对刚度减小，竖腹杆承担的内力相应加大；梅架的整体刚度增大，减少了桁架的跨中挠度，降低了下弦杆的弯矩和剪力，但也增大了下弦杆的轴力。

3. 2斜腹杆桁架的受力分析

如图1所示，对其进行受力分析计算，斜腹杆桁架上、下弦杆如同空腹精架，上弦主要承受压力，中间最大并向两端递减，在端部出现拉应力；下弦杆主要承受拉力，中间最大并向端递减，端部出现压应力。斜腹杆所受拉压轴力相间，其数值大小从中间向两边递减。桁架所受剪力从中间最向两边递增，但剪力值比空腹桁架小的多。斜腹杆桁架所受的弯矩很小，受力特性类似于空腹桁架，其跨中挠度比空腹桁架小的多。

3.3混合桁架的受力特性

如图1所受，对其模型进行分析，其受力特征与斜腹杆桁架相似，其跨中挠度也差不多。

3.4几种钢筋混凝土桁架结构形式分析

通过以上三种钢筋混凝土桁架结构形式的分析可得：

3.4.1不论哪种精架形式，弦杆的受力特性相似。下弦杆主要承受拉力，中部最大并向两边递减，端部可能出现压应力；上弦受压，中部最大并向两边递减，端部可能出现拉应力。

3.4.2斜腹杆桁架可以将下弦所受的较大集中力向上弦杆传递，从而能有效增加上、下弦的共同受力，使受力更趋向均匀，具有卸荷作用；其所受的剪力明显小于空腹桁架，能有效提高桁架的抗剪作用。

3.4.3斜腹杆桁架相对于空腹桁架的跨中挠度小很多。

4工程应用

对写字楼进行改造后，大跨度梁的受荷简图如图3所示，结合建筑功能和梁的受力特点，本工程所设计的钢筋混凝土桁架结构形式为混合桁架，杆件的截面尺寸：桁架两端支座竖杆和中间竖腹杆均为原有构件，其尺寸为600mm×600mm，弦杆亦为原有构件，其尺寸为300mm×700mm，其他的竖腹杆和斜腹杆均为新增构件，其尺寸均为300mm×400mm。

5工程实际中钢筋混凝土桁架的计算

在加固改造设计中，应建模进行整体分析，可采用SATWE计算软件结构分析，在建模时，弦杆可采用梁单元，腹杆可采用斜杆单元，弦杆所在楼层的楼板应设置成弹性膜，若采用刚性楼板假定，则计算出的弦杆轴力趋向零，不符合实际情况；桁架节点可采用刚性连接，在分析计算桁架轴力时，采用刚性节点和铰接节点的轴力相差不大，

若保守设计，可采用铰接计算，上弦按支撑于节点的连续梁计算。应根据桁架的跨度和荷载的大小，是否考虑由于杆件的相对线位移和角位移引起的次应力计算。

通过较大的结构改造后，局部结构变的较为复杂，可按广义层模型输入，在计算内力及配筋时可采用全楼弹性膜假定。由于局部层高不一致，层间位移比、层间刚度比、层间受剪承载力等计算指标可能会失真，因而不能一概采用对常规框架结构的判断方法来分析这些数据，而应加以判断分析，确定其合理性，最终还应按单榻框排架进行验算。

6工程改造加固设计的要点

6.1由于精架梁端所受弯矩和剪力均较大，对朽架两端的节点应加固处理，可采用加大截面法即对梁加腋。

6.2对新增加的钢筋混凝土构件，可采用植筋技术对其进行锚固，但应注意防火处理，并注意新旧混凝土相交面的处理。

6.3对新增钢筋混凝土构件后形成的节点，由于受的弯矩较大，应对其加固，可采用粘钢加固法。

6.4由于下弦杆所受的轴拉力较大，成为控制内力，为提高刚度，减少挠度，控制裂缝，可采用外加预应力对其加固。

7结语

由上可见，在建筑结构改造加固中，采用单层钢筋混凝土桁架梁来解决拆除柱子形成大跨度的梁，这是有效的方案。桁架为超静定结构，空腹杆、斜腹杆的截面尺寸及其布置对格架内力分布产生很大的