交错桁架结构的设计

第39卷第3期2007年6月

西安建筑科技大学学报(自然科学版)

J1Xi.an Univ.of Arch.&Tech.(N atur al Science Edition)

V ol.39N o.3

Jun.2007交错桁架结构的设计

卢林枫1,周绪红2,刘永健1,莫涛3,周期石4

(1.长安大学,陕西西安710064;2.兰州大学,甘肃兰州730000;

3.湖南大学,湖南长沙410082;

4.中南大学,湖南长沙410083)

摘要:采用P KP M系列软件和有限元程序SAP2000,分析了钢框架-剪力墙和交错桁架-剪力墙两种结构方案的抗震、抗风性能,以及在满足设计规范前提下的结构用钢量.对比设计结果显示,交错桁架-剪力墙比钢框架-剪力墙用钢量低,纵向框架结构形式对交错桁架的用钢量有一定影响,设计时宜采用剪力墙或支撑体系增强纵向框架刚度.

关键词:交错桁架;钢结构住宅;钢结构设计;经济评价

中图分类号:T U393.2文献标识码:A文章编号:1006-7930(2007)03-0308-06

交错桁架结构是一种理想的住宅结构体系,既能提供较大的建筑空间又具有较好的抗侧力性能.但目前关于高层交错桁架结构与其他结构体系经济性对比的技术数据还主要来自国外研究成果[1],为重点考察交错桁架结构经济性能,对福州市某城市广场工程15层商住酒店式公寓主楼结构方案作对比分析.该公寓主体建筑1~4层长81.6m,5~15层长71.6m,宽16m;1层层高6.5m,2~4层层高5.0 m,5~14层层高3.15m,15层层高3.9m.原设计在对比了矩形钢管混凝土框架-剪力墙结构和矩形钢管混凝土框架-钢支撑体系两种方案后,用了矩形钢管混凝土框架-剪力墙结构,框架柱均为箱型600@ 600@12内灌C50混凝土.由于矩形钢管混凝土框架-剪力墙结构比钢筋混凝土框架-剪力墙结构成本高,所以该项目的拟施工单位委托我们做以交错桁架为主要受力体系的结构方案,以期降低工程的结构成本.本文提出了两种不同柱距的交错桁架-剪力墙、支撑体系结构方案,并且与原矩形钢管混凝土框架-剪力墙结构方案作了对比分析,着重比较了不同结构方案的技术指标和经济性能.

1交错桁架结构设计方案

1.14m柱距方案

建筑设计方案中公寓楼房间都为4m开间,适合选择4m柱距的交错桁架方案(简称方案一).由于该工程1~4层为商场,建筑要求在这些楼层不能布置桁架,故1~4层仍采用矩形钢管混凝土框架-剪力墙结构,框架按4m设置柱距,5~15层采用钢结构交错桁架-剪力墙结构.由于交错桁架横向刚度较大,为减小层间刚度的突变,在1~4层局部框架间增设了偏心支撑,平面结构布置见图1.采用小柱距可以增强结构的刚度并使结构传力更加平缓,在减小楼板厚度的同时可以不布置次梁,减轻了上部建筑物的荷载,有利于降低地基和基础成本和提高结构抗震性能.

交错桁架体系横向由桁架和剪力墙(支撑体系)承担侧向力结构采用混合式桁架对抗质有利[2],桁架采用5节间桁架形式(见图2),弦杆为250@250@10方管,腹杆为200@200@10方管,空腹节间尺寸由建筑方案的走廊宽度确定,空腹节间可作为结构的耗能机制来改善结构的抗震性能.在纵向,设置H350@120@6@8框架梁,形成4m小柱距框架,而且剪力墙直通向屋面,所以纵向已形成了钢框架-剪力墙结构.

*收稿日期:2006-03-24

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50078021);教育部科学技术研究重点项目(99089);高等学校博士学科点专项科研基金项目(2000053203)

作者简介:卢林枫(1972-),男,黑龙江龙江人,副教授,博士,主要从事新型钢结构体系分析与设计方法研究.

柱子是交错桁架体系中最重要的构件之一,而且是纵向主要的抗侧力构件.初步计算时,考虑了等截面方钢管(1~4层填充C50混凝土)柱和H 型钢柱两种形式.计算结果表明:由于底部数层的层高较大,为满足抗震设计对楼层侧移的要求,采用H 型钢柱,会增加柱子用钢量.因此,本方案1~4层柱子为箱型400@400@10内灌C50混凝土,5~15层为箱型400@400@14,所有框架梁均采用焊接H 型钢

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图1 4m 柱距交错桁架方案

Fig.1 S taggered truss schem e of the 4m column

spacing

图2 5节间桁架

Fig.2 T russ w ith five panels

1.2 8m 柱距方案

为进一步了解几何参数变化对交错桁架结构经济性的影响,本文又提出8m 柱距交错桁架结构方案(简称方案二).1~4层仍采用矩形钢管混凝土框架-剪力墙结构体系,框架按照原设计方案8米的柱距设置,局部框架间增设了偏心支撑,而5~15层采用8m 柱距的交错桁架结构体系.由于采用较大的柱距,为配合国内现有楼板厚度需要布置一些次梁,从而增加了钢梁的用钢量,但柱子数量较4m 柱距方案却减少了,该方案的平面结构布置见图3.方案二桁架形式同方案一(图2),但弦杆改为300@300@12方管,腹杆为200@200@10和250@250@10两种方管.1~4层仍为方钢管混凝土柱,箱型600@600@12内灌C50混凝土;5~15层采用了变截面方形钢管柱,由于柱距变大,每榀框架负担的荷载增大,柱子截面在1~10层有所增大,5~10层为箱型600@600@20,11~15层为箱型400@400@14.

1.3 结构用钢材牌号上述两种交错桁架结构方案和原矩形钢管混凝土框架-剪力墙结构方案中所有钢构件材质均为

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第6期 卢林枫等:交错桁架结构的设计

图3 8m 柱距交错桁架方案

Fig.3 S taggered truss schem e of the 8m column spacing

Q345B 级钢.材料的各项指标要满足国家标准5低合金高强度结构钢6(GB/T1591)的规定,而且要求强屈比不小于1.2.

2 结构分析

2.1 分析程序

由图1和图3结构平面布置可知,两种方案都属于平面刚度分布不均匀的结构设计[3],根据现行5高层民用钢结构技术规程6(JGJ99-98)[4]的相关条文规定,宜采用空间结构模型计算.结构分析采用国内最常用的设计软件PKPM 系列,STS 钢结构模块用于结构建模和荷载输入,SATWE 空间有限元分析模块用于结构整体计算分析.采用PKPM 软件不需要自己定义单元类型和荷载组合方式,而且对计算结果可直接验算是否满足我国有相关的设计规范.在直接采用设计软件PKPM 设计的同时,也采用了通用有限元计算软件SAP2000做辅助校核.

2.2 设计条件和荷载工况

根据建筑物所在地的基本自然情况和建筑类型,查得基本风压为0.70kN /m 2

,场地为III 类场地土,7度抗震设防,建筑物为乙类建筑.由建筑和结构做法确定的结构设计荷载见表1.在运行SAT WE 模块分析时,荷载工况直接使用SATWE 模块设置的26种荷载组合形式;再采用SAP2000按SAT WE 计算书显示的控制设计的荷载组合形式,人工输入荷载组合系数,作辅助验算.

表1 设计荷载

T ab.1 Designed load F loo r live load/kN #m -2

Floo r permanent load/kN #m -2M ar ket and stair

3.5Flat building 2.0Roo fing 2.0First flo or 6.52nd~4th floor 5.0Flat building 5.0Roo fing 6.0

2.3 PKPM 建模过程1~4层为矩形钢管混凝土框架-剪力墙,在内力和变形计算时,对1~4层内填充混凝土的框架柱,310 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报(自然科学版) 第38卷