交错桁架结构的设计
业界关于钢结构交错桁架体系的一个观点123
业界关于钢结构交错桁架体系的一个观点钢结构交错桁架体系成为主要的支撑体系已经很多年了，工程中使用这种桁架体系是经济的，易于制造和安装，因此优于所有其他的支撑体系。
这篇论文研究了一栋近期建造的使用了交错桁架建筑体系，该工程是新泽西州,大西洋城的一家国际度假酒店。
制造任何从事结构钢生产的企业,只要他们拥有合格的焊工及焊接方面的技术,就能轻而易举地制造出这种结构.此外,建筑还必须具备吊车,能够将10至15吨重的桁架及柱吊至20层高处.该结构的制造包括下列构件：(1)柱 (2)拱侧梁 (3)桁架 (4)次柱及次梁(5)楼盖。
1-柱高达20层的建筑物,其柱子的制造并不复杂.它们被轧制成宽翼缘截面大可达14×720,最长近25英尺, 每块总重量达9至10吨 (底板分散安装).20层到30层的建筑物的柱子需要用翼缘板加固，30层以上建筑物的柱子是组合式柱,由3块厚度不一的板组成.这座国际度假酒店,其翼缘板厚8英寸,腹板厚6英寸.这种柱需要精密的制造设备,如,预热装置,水下焊接设备以及具备25-40吨的携重能力.换句话说,企业必须具有处理重板及板面制造的能力.这些柱子底层具有重型支撑连接,此连接可将风荷转移到混凝土基座上.支撑桁架作为一种转移风压的方法,如果对建筑特色不造成影响,可以用于底部.2-拱侧梁拱侧梁是用于抵抗衡附压在纵向山墙上的风矩.为抵抗这股力量拱侧梁可以是由板的连接件来连接的,或者带有焊剪板的翼缘板顶和底连接起来的钢板梁.这种梁的制造不会出现任何问题.但是,由于辗轧延性不同,在使用尾板时,柱上的匹配孔或者是翼缘板必须经过校对,与梁相匹配,以确保柱心与柱心之间无误.这种梁控制着整个建筑物的长度.一栋建筑物有九个或十个壁洞(偏差为±1\4英寸),每个壁洞将使总长度从2英尺增加到2.5英尺.根据大多数建筑物的规则,梁也要求有2小时的耐火级别。
因此，再加上建筑设计师的努力，一根混凝土拱侧梁就不仅是提供了一根杠杆来抗拒外力矩，并能省去防火装置，同时还可作为建筑外表面面的一部分。
A006交错桁架钢框架制作
交错桁架钢框架制作1．制作工艺应包括：施工中所依据的标准，制作厂的质量保证体系，成品的质量保证体系和为保证成品达到规定的质量要求而制定的措施，生产场地的布置，采用的加工、焊接设备和工艺装配，焊工和检查人员的资质证明，各类检查项目表格和生产进度计划等。
2．为保证交错桁架钢框架结构的施工质量，方便生产场地布置，合理组织生产，加快工程进度，结构或构件一般采用工厂制作，现场拼装，考虑车辆运输能力和交通法规约束，长度不宜超过12m3．在制作交错桁架钢框架结构前，应先进行图纸会审，发现问题及时反馈设计人员，下料前应对操作人员进行安全技术交底，编制加工工艺文件，技术人员应监督控制制作过程中每一工艺环节。
控制环节主要包括：除锈、涂装底漆、放样、下料切割、铣边、制模、组对、焊接、打磨、检测焊缝等。
材料需要对接时，接头不应设置在节点位置，制作时尚应注意环境温度，当进入冬期施工时，应采取相应的冬期施工措施。
材料切割、矫正、制孔、端部铣平、外部尺寸等应符合现行国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205和《钢结构工程施工规范》GB 50755的规定。
防腐涂装时，应注意涂料或油漆颜色、干燥时间(包括表干和实干)、完全固化时间、贮存期、混合配合比、适用期、施工方法、稀释剂、工具清洗、漆膜厚度(湿膜厚度和干膜厚度)、涂装间隔等参数，尚应注意控制环境温度5℃～38℃、相对湿度小于或等于80％。
对防腐涂料应加强管理，严禁使用失效或过期的涂料。
如设计文件要求制作过程中考虑结构的起拱，应按照现行国家标准《钢结构工程施工质量验收规范》GB 50205和《钢结构工程施工规范》GB 50755相关规定执行。
4．焊接工作是钢结构制作中非常重要的一环，焊接质量直接影响构件的内在质量和外观质量，影响到构件的受力性能和安全性5．构件验收内容一般包括原材料产品质量证明书及复验报告、班组自检记录、检验批检查记录、焊缝无损检测记录等6．构件在包装、运输时应采取适当的成品保护措施，保证不发生变形，漆膜不起皮脱落，堆放场地整洁、干净。
钢结构交错桁架中平面桁架施工工法(2)
钢结构交错桁架中平面桁架施工工法钢结构交错桁架中平面桁架施工工法一、前言钢结构交错桁架是一种常用于大型空间结构的桁架结构，具有重量轻、强度高、刚度大等优势。
平面桁架是其一种常见形式，在建筑工程中得到广泛应用。
本文将详细介绍钢结构交错桁架中平面桁架的施工工法及相关内容。
二、工法特点钢结构交错桁架中平面桁架的施工工法有以下几个特点：1. 工序简单：相比其他类型的桁架结构，平面桁架的施工工艺相对简单，施工周期短，适合项目工期紧迫的情况。
2. 施工工艺可控：平面桁架的施工一般按照模块化的方式进行，每个模块的制作和安装相对独立，可根据实际情况进行调整和控制。
3. 适应性强：平面桁架在设计上具有较好的自由度，可以适应不同形状和跨度的空间要求，能够满足多种建筑需求。
4. 维护成本低：平面桁架的设计和施工注重细节，采用合理的工艺措施，可降低后期维护成本。
三、适应范围钢结构交错桁架中平面桁架的施工工法适用于以下范围：1. 大跨度空间：平面桁架适合用于大跨度的建筑，如展馆、体育馆、停车场等。
2. 高要求的建筑：平面桁架由于结构刚度大，能够承受较大的荷载，适用于需要满足较高要求的建筑，如机场航站楼、桥梁等。
3. 工期紧迫的项目：平面桁架的工期较短，适合工期紧迫的项目。
四、工艺原理钢结构交错桁架中平面桁架的施工工法与实际工程之间有着密切的联系，采取了一系列的技术措施以确保施工的成功和稳定。
首先，施工前需要进行详细的工程勘察和测量，确定平面桁架的尺寸和位置，为后续的制作和安装提供准确的数据。
然后，制作工序包括材料采购、材料切割、焊接和热处理等。
这些工序需要按照规范和设计要求进行，确保材料的质量和结构的稳定性。
接下来是安装工序，将制作好的平面桁架按照设计要求进行组装和安装。
在安装过程中，需要注意吊装和定位的准确性，采取适当的支撑和固定措施，确保结构的稳定性。
最后，进行调试和验收工作，包括结构的稳定性检测、连接件的验收和验收文件的整理等。
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.3Jun.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.图1 4m 柱距交错桁架方案Fig.1 S taggered truss schem e of the 4m columnspacing图2 5节间桁架Fig.2 T russ w ith five panels1.2 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309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 spacingQ345B 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 -2Floo r permanent load/kN #m -2M ar ket and stair3.5Flat building 2.0Roo fing 2.0First flo or 6.52nd~4th floor 5.0Flat building 5.0Roo fing 6.02.3 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卷执行5矩形钢管混凝土结构技术规程6(CECS159:2004)[5]第5.2.2条规定,按规定的抗弯刚度、抗压刚度公式,将矩形钢管混凝土柱等效换算成方钢管柱,将原结构换算成钢框架-剪力墙.2.3.1 构件定义结构建模在PKPM 的ST S 模块中完成,需要定义建模需要的各种构件截面.所有柱子及桁架的竖腹杆以/柱定义0方式确定;桁架的弦杆和框架梁及次梁以/主梁定义0方式定义;桁架所有斜腹杆和支撑按/斜杆定义0方式输入;剪力墙按/墙定义0方式输入.2.3.2 楼层定义由于1~4层结构形式完全一样,建模时只需定义一个结构标准层;而交错桁架每一层由于桁架位置不同,同时为了修改方便,每层交错桁架定义一个标准层.对应于每层桁架所在轴线的位置,依次布置柱子、桁架竖腹杆和本层桁架的上弦杆,而每层桁架的下弦杆是在布置前一层结构时就已经布置完毕.此处的难点在于桁架斜腹杆的布置,斜腹杆需按预先划分桁架节间的轴线点位置确定其倾斜方向.如果斜杆以低标高点向高标高点划线确定,则斜杆第1个节点需要输入其标高相对于本层地面的标高为/00值,而另一个点则需输入相对于本层地面的标高为/10值,意味着这个点的标高和层高相同.其他如荷载定义、楼层组装、楼板输入等过程,大家都不陌生,为节省篇幅,一并省略.2.4 SATWE 特殊构件和关键参数2.4.1 SAT WE 特殊构件处理在STS 模块建完计算模型后,依次完成荷载定义、楼层组装、楼板输入等过程,在进入SATWE 模块的设计和验算过程.由于交错桁架的构件节点具有以下特征:交错桁架体系桁架的腹杆与弦杆的连接以及弦杆与柱子的连接在计算时要按半铰接处理,而桁架弦杆要按连续压弯杆件设计[6].为在PKPM 分析中实现上述节点特性,需要在SAT WE 模块/分析与设计参数补充定义0中选择/特殊构件补充定义0菜单,对各个标准层桁架弦杆、竖腹杆进行处理.弦杆与柱子的半铰接是通过将与柱子相连节间的弦杆,定义为/一端铰接0的/特殊梁0来实现的.竖腹杆需要将其定义为/两端铰接0的/特殊柱0来完成的.由于斜腹杆在SATWE 模块中已经默认为是/两端铰接0的二力杆件,此处不需另外定义.2.4.2 SAT WE 关键设计参数选择在菜单/分析与设计参数定义0中,对一些关键参数作如下选择:¹/结构规则性信息0选择/不规则0;º考虑双向水平地震作用和偶然偏心;»交错桁架结构的墙体采用轻质墙体,周期折减系数取值0.95;¼钢梁为不调幅梁,负弯矩调整系数取1.0,考虑楼板组合效应后的钢梁刚度放大系数按5高层民用钢结构技术规程6(JGJ99-98)规定,中梁刚度放大系数取1.5,边梁刚度放大系数取1.2.2.4.3 SAT WE 关键计算参数控制PKPM 程序根据结构的特点,按照5钢结构设计规范6(GB50017-2003[7]和5高层民用建筑钢结构技术规程6(JGJ98-99)中所给公式对钢构件进行截面整体稳定、局部稳定和强度、刚度的验算;按5混凝土结构设计规范6(GB50010-2002)[8]对剪力墙进行配筋和验算.设计时柱子轴压比限值取为0.8,柱子应力比限值取为0.90;而桁架弦杆和梁应力比限值取为0.95;桁架腹杆和支撑应力比限值取为1.上述处理方式,可以保证结构在遭遇强震时,构件破坏次序为:桁架腹杆和支撑y 梁y 柱,体现多道结构抗震防线的设计理念.余下步骤就是结构分析、截面配筋设计与验算,以及分析结果的后处理.检验结构设计是否满足设计规范的要求.如不满足,需重新设计构件,再运行前述各个过程.2.5 SAP2000辅助验算辅助验算采用了通用有限元计算软件SAP2000,Frame 单元模拟框架柱、梁、桁架和支撑的受力特性.楼板则采用能够同时考虑平面内外荷载和变形的四点空间板壳Shell 单元模拟,地震作用采用振型分解反应谱法计算.观察两种计算软件的对比计算结果,发现二者的结果相差不到10%,SA TWE 的计算结果更保守一些,所以提供的计算数据均为SATWE 的计算结果.三种结构方案的一些技术指标数据和用钢量如311第6期 卢林枫等:交错桁架结构的设计表2所示.表2结构分析结果T ab.2Results of s tr uctural analysisScheme name F undamentalperiod/sT he lar gest later al sto ry-dr iftang le under ear thquakeT he larg est lateral stor y-driftang le under w indsteel co nsumpt ion/kg#m-2P rimar y scheme 1.78081/9561/124575 Scheme1 2.5321/8561/76745Scheme2 1.4571/12601/1767603方案评价3.1技术指标评价原设计方案在弹性设计阶段,结构基本周期为T1=1.7808s,其他数据指标也基本反映了钢框架-剪力墙结构侧移刚度较大的特点,但用钢量也较大.而方案1采用4m柱距的交错桁架,在用钢量显著降低的同时,结构基本周期提高显著,结构抗震性能得到了明显改善.方案2采用8m柱距的交错桁架,结构侧移刚度得到显著提高,甚至高于原方案结构的侧移刚度,用钢量较方案1有所增加,但仍低于原方案.3.2经济指标评价(1)自重轻节约基础成本.一般高层钢结构自重约为混凝土结构自重的1/2~3/5,结构自重可降低40%以上.交错桁架结构自重较普通钢框架-剪力墙更轻,可以使基础的造价降低,尤其在南方软土地区结构自重降低40%后,基础造价的降低幅度则更为明显.(2)增加建筑使用面积.与钢筋混凝土材料柱子相比,钢结构柱截面面积小,其外轮廓面积仅为钢筋混凝土柱的1/3,从而可增加建筑有效使用面积.高层建筑中,钢柱的截面面积占建筑面积的3%左右,而混凝土柱的截面面积占建筑面积的7%~9%[9].(3)工期短.钢结构的施工速度约为混凝土结构施工速度的1.5倍.结构施工周期的缩短,可使整个建筑更早投入使用,缩短贷款建设的还贷时间,从而减少借贷利息.假设本项目投资回收期为三年左右,采用钢结构比采用混凝土可以提前半年使用,则近似地相当于采用钢结构比采用混凝土结构节省投资18%[9].(4)套用福建省概(预)算定额对方案1的结构成本作了概算,该方案的结构概算成本约为1330元/m2,高于钢筋混凝土框架-剪力墙结构方案1000元/m2的概算.但这一价差会因前述3条优点得到一定的补偿,从而提高了工程的综合经济效益.例如,该项目销售价格均价为5000元/m2,按最低增加建筑面积4%计算,此项就相应对结构成本补偿了200元/m2.4结论(1)对于越来越普遍的商住写字楼或酒店式公寓,采用交错桁架与剪力墙或支撑体系组成受力结构,可以收到令人满意的效果.(2)交错桁架体系的纵向刚度弱于横向刚度,要保证纵向层间位移角满足规范要求,宜设置剪力墙或支撑体系来增加刚度,减小位移.这也说明,交错桁架体系中,不宜在纵向采用纯刚性框架作为主要抗侧力体系,否则会增加结构成本.(3)通过两种柱距交错桁架方案对比,交错桁架体系在设计某种特定功能建筑(办公、公寓)时,应该存在一个经济柱距,使结构在满足设计规范要求的同时可以获得最优的结构成本.(4)钢管混凝土柱可以作为交错桁架柱子的主要形式之一,尤其是在高层交错桁架建筑,其经济性明显优于传统的工字形截面钢柱.(5)如果采用矩形钢管混凝土柱,而桁架也采用矩形钢管混凝土桁架,则构成的矩形钢管混凝土交错桁架又是一种值得研究和推广的新型结构体系.312西安建筑科技大学学报(自然科学版)第38卷参考文献 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prog ram SA P2000,the behavio r of aseismic and r esist ance t o wind o f steel frame -shear w all st ruct ur e w it h stag ger ed truss -shear w all st ructur e are ado pted in ana lyzing the steel mater ial quantity o f each structure scheme under satisfying design co de.T he co ntrastie desig n r esults sho w that the steel consum p -t ion of stag ger ed tr uss -shear wa ll str ucture is lo wer than that o f the steel frame -shear wall structure,and the long itudinal frame structure for m may affect t he steel consumptio n to t he stagg ered truss.T he desig ner is advised to ado pt shear w all or br acing system to str eng then long itudinal frame stiffness.Key words:s tag ger ed tr uss ;s teel str uctur e hous e;steel str uctur e des ign;economical estimation313第6期 卢林枫等:交错桁架结构的设计*Biography:LU Lin -feng,Ph.D.,Xi p an 710064,P.R.China,Tel:0086-29-82337399,E -m ail:54LLF@。
交错桁架钢结构设计规程
交错桁架钢结构设计规程一、结构设计基础1.本规程适用于交错桁架钢结构的设计、施工和验收。
2.结构设计应遵循国家相关标准、规范，确保结构安全、经济、合理。
3.结构设计时应充分考虑建筑功能、使用环境、荷载条件等因素。
二、荷载与作用1.交错桁架钢结构承受的荷载主要包括恒荷载、活荷载、风荷载、雪荷载、地震作用等。
2.荷载与作用的取值应符合国家相关规范的规定，根据实际情况进行调整。
3.应对各种荷载与作用进行组合，取最不利情况进行设计。
三、结构体系与布置1.交错桁架钢结构应根据建筑功能、跨度、高度等因素进行结构体系的选择与布置。
2.结构体系应满足承载能力、刚度、稳定性等要求，同时应考虑施工方便和经济性。
3.布置时应保证结构受力合理、传力途径明确，避免出现应力集中或过于复杂的结构形式。
四、截面设计与选型1.截面设计应根据荷载条件、跨度、高度等因素进行计算和优化。
2.应根据钢材规格、性能等条件进行截面选型，同时考虑施工方便和经济性。
3.截面设计时应考虑构造要求，如节点连接、支撑设置等。
五、连接节点设计1.节点设计应根据结构形式、跨度、高度等因素进行选择与设计。
2.节点连接应满足承载能力、刚度、稳定性等要求，同时应考虑施工方便和经济性。
3.节点设计时应采用可靠的连接方式，如焊接、螺栓连接等，并确保节点构造合理、传力途径明确。
六、稳定性分析1.交错桁架钢结构应进行稳定性分析，确保结构在各种工况下的稳定性要求。
2.稳定性分析可采用理论计算或有限元分析等方法，根据实际情况进行选择。
3.应对结构的整体稳定性、构件稳定性进行分析，并采取相应的加强措施。
高层钢结构框支交错桁架结构破坏模式
03
破坏模式分类及原因分析
整体失稳破坏
总结词
整体失稳是指整个结构体系在受到外力作用后，无法保持稳定平衡状态，从而发生连续倒塌破坏的现 象。
详细描述
高层钢结构框支交错桁架结构在受到地震、风载等外部作用力时，可能由于结构体系本身的缺陷或设 计不当等原因，导致整体失稳破坏。整体失稳破坏通常伴随着明显的变形和扭曲，结构构件的承载能 力不足或失效，是高层钢结构框支交错桁架结构破坏的主要模式之一。
设计和施工要点
设计和施工是框支交错桁架结构 的关键环节，需要充分考虑结构 的受力特点、稳定性和施工可行
性等因素。
设计时需要精确计算和分析结构 的力学性能，选择合适的材料和 截面尺寸，以确保结构的安全性
和经济性。
施工时需要采取合理的安装方案 和措施，保证结构的精度和质量 ，同时需要注意施工过程中的安
06
参考文献
参考文献
• 文献1：该文献研究了高层钢结构框支交错桁架结构的破坏模式，并对其进行了详细的分析。作者指出，这种 结构的破坏模式主要表现为整体失稳和局部失稳两种形式。其中，整体失稳主要表现为整体结构向一侧倾斜或 出现明显的弯曲变形；局部失稳则主要表现为某些构件或连接部位的断裂或屈服。该文献还对破坏模式的影响 因素进行了深入探讨，包括材料性能、结构形式、荷载条件和支承方式等。
• 文献2：该文献对高层钢结构框支交错桁架结构的破坏模式进行了数值模拟和实验研究。通过建立精细化模型 ，模拟了结构的承载过程和破坏形态。实验研究则通过实际加载试验，验证了数值模拟结果的可靠性。研究表 明，这种结构的破坏模式与构件的连接方式和构造细节密切相关。一些关键部位的连接方式对结构的整体稳定 性影响尤为显著。
节点及连接破坏
总结词
交错桁架体系的特点
交错桁架体系的特点一、交错桁架体系的特点嗨呀，宝子们！今天咱们来唠唠交错桁架体系的特点哈。
交错桁架体系呢，有一个超酷的特点就是它的空间受力性能很棒。
你想啊，桁架交错着来，就像是好多小能手在不同方向上一起用力，把整个结构撑得稳稳当当的。
它能有效地把竖向荷载传递到柱子和基础上，就像一个特别会接力的团队，一棒接一棒，力量一点都不浪费。
在建筑空间利用方面，交错桁架体系也很有一套。
它的桁架结构不像有些结构那样占地方，这样就可以给建筑内部留出更多的空间来。
比如说在一些商业建筑或者住宅建筑里，大家就可以有更宽敞的房间啦，不会因为结构构件占了太多地方而觉得拥挤。
而且哦，交错桁架体系的经济性也不错呢。
它在材料的使用上比较合理，不需要用特别多超级昂贵的材料就能达到很好的结构性能。
这就好比是我们出去买东西，能花比较少的钱买到性价比超高的东西一样开心。
再说说它的抗震性能吧。
交错桁架体系在地震来的时候，就像是一个灵活的小战士。
它的桁架结构能够在地震力的作用下产生一定的变形，但是又不会轻易地散架。
这种变形能力就像是给建筑穿上了一层有弹性的铠甲，可以有效地消耗地震能量，保护建筑里面的人和东西。
从美观性上来说，交错桁架体系也有自己独特的魅力。
它那交错的线条在建筑外观上可以形成一种很有韵律感的图案，看起来特别现代、时尚。
有些建筑就是因为采用了交错桁架体系，从外面看就像一个艺术品一样，吸引着大家的目光。
还有哦，交错桁架体系的施工速度相对来说也比较快。
因为它的构件相对比较规则，在工厂里预制的时候就比较方便，到了施工现场安装也比较容易。
就像搭积木一样，一块一块地很快就能把整个结构搭起来啦。
概括来说呢，交错桁架体系在受力性能、空间利用、经济性、抗震性、美观性和施工速度等方面都有着自己独特的特点，是一种很有魅力的结构体系呢。
钢结构错列桁架体系结构分析与设计方法
钢结构错列桁架体系结构分析与设计方法钢结构错列桁架体系结构分析与设计方法一、引言随着城市化的不断推进和建筑技术的不断发展，高层建筑、桥梁、工业厂房等大跨度结构的需求日益增长。
而钢结构由于其高强度、轻质、施工速度快等特点，逐渐成为这些大跨度结构的首选材料。
在钢结构设计中，错列桁架体系作为一种常用且有效的结构形式，广泛应用于各类工程项目中。
本文旨在介绍钢结构错列桁架体系的结构分析与设计方法。
二、错列桁架体系的结构特点与组成原理错列桁架体系是由水平、纵向两种方向错列布置的桁架组成的结构系统。
其主要结构特点如下：1. 桁架的错位布置可以提高结构整体刚度和强度，增强结构的稳定性和承载能力。
2. 由于错列桁架体系中的桁架构件呈交叉布置，可以提高结构的空间利用率，减少投影面积，从而降低风载和地震作用对结构的影响。
3. 错列桁架体系的组成原理是将主桁架和副桁架错开布置，主副桁架之间通过铰链连接。
主副桁架的布置位置和比例可以根据具体工程要求进行设计，以满足结构的刚度和稳定性要求。
三、错列桁架体系的结构分析方法1. 初始条件及假设：在进行错列桁架体系的结构分析时，需要先确定一些初始条件和假设。
如结构的载荷情况、材料性能、节点连接方式等。
同时，还需根据具体工程要求做出一些简化假设，如桁架构件的轴心线可视为直线等。
2. 结构整体的静力平衡方程：根据结构整体的静力平衡条件，可以得到错列桁架体系的受力平衡方程，进而求解结构的受力状态。
其中，包括主桁架和副桁架的轴力、弯矩以及节点的位移等。
3. 结构的刚度计算：对于错列桁架体系，其刚度主要包括整体刚度和局部刚度两部分。
整体刚度可以通过受力平衡方程计算得到，而局部刚度则需要分析各桁架构件的刚度特性。
在计算局部刚度时，可采用基本静力学原理，例如应变能原理等。
4. 结构的稳定性分析：由于错列桁架体系中的桁架构件呈交叉布置，使得结构在承受荷载时容易出现局部屈曲和整体失稳的情况。
因此，需要对结构的稳定性进行分析。
钢结构交错桁架体系的高等分析
钢结构交错桁架体系的高等分析屋面板楼面板楼面板柱 柱柱H H H HH H H H HR=2HD/L R R R 2R2R V=2H V=6H V=2H V=4H V=4H V=6HV=2H V=2HLD钢结构交错桁架体系的应用美国纽约的Clayton停车场公寓总层数为11层，桁架跨度为60英尺（18.28米），楼板采用10英寸（254毫米）厚的混凝土楼板；美国康涅狄格州Marriott旅馆总层数为24层，楼板采用8英寸（203.2毫米）厚的预应力混凝土楼板；美国拉斯维加斯Aladdin饭店总层数为38层，桁架高度为9英尺，跨度为63英尺4英寸，桁架空腹节间的长度为9英尺7英寸，楼板采用8英寸厚的混凝土预制板；加拿大的虹谷旅馆，建筑平面为52米×17米，地上24层采用钢结构，桁架跨度为16.52米，层高为2.8米；韩国Shangrila旅馆，地上41层，桁架跨度为20.6米；另外，美国加利福尼亚的Sierra Point旅馆，纽约的Tower on the Park，新泽西州的Riverview Senior Housing等建筑中均采用了交错桁架结构体系。
周绪红教授带领的课题组对1个14层交错桁架结构的缩尺模型（缩尺比例为1:8）进行试验，以考察交错桁架结构的荷载－位移曲线、极限承载力、应变分布、延性以及结构的最终破坏形态。
由兰州大学主编的《交错桁架钢结构体系技术规程》即将完稿。
钢结构交错桁架体系的高等分析方法影响结构性能的主要因素可分为两类：1.几何非线性；2.材料非线性。
几何非线性影响主要有：二阶效应和几何缺陷。
材料非线性影响主要有：构件截面的塑性发展和残余应力。
高等分析方法是一种比较精确的结构整体二阶弹塑性全过程分析方法。
它充分考虑了几何非线性、材料非线性和几何缺陷等影响结构稳定性和极限承载力的重要因素，直接考虑构件之间的相互作用，能够描述结构系统的非弹性内力重分布，能够比较真实地反映结构在荷载作用下的内力和变形状态，准确评估结构的极限承载力和破坏模式算例１：某混合交错桁架结构建筑，层数为六层，层高为3m，房屋总长度为42m，柱距为6m，跨度为12.5m，柱子采用HW300×300×10×15的H型钢，弦杆采用HM300×200×8×12的H型钢，竖腹杆采用工字钢I25a，斜腹杆采用角钢2L125×8，楼层荷载设计值为7.2KN/m2，从结构中取一榀横向框架，分别运用本文介绍的改进塑性铰法和ANSYS计算的轴力如下图所示，图中括号内为运用ANSYS分析的结果，轴力单位为KN结论：由图可知，运用本文介绍的改进塑性铰法计算的交错桁架结构体系的轴力与ANASYS计算的轴力二者相差很小。
装配式建筑交错桁架结构体系参数
装配式建筑交错桁架结构体系参数装配式建筑是一种现代建筑技术，它通过工厂预制和现场组装的方式，实现了效率高、质量优、环境友好的建筑方式。
交错桁架结构是一种常用的结构形式，具有良好的抗震性能和刚度，适用于多种建筑类型。
下面将介绍交错桁架结构体系的主要参数。
1.桁架高度：桁架高度是指桁架顶点到底部节点之间的距离。
桁架高度的选择受到多方面因素的影响，包括使用功能、建筑高度、地震烈度等。
一般来说，桁架高度的增大可以提高结构的刚度和抗震性能，但也会增加施工难度和材料成本。
2.桁架间距：桁架间距是指相邻两个桁架之间的距离。
桁架间距的选择需要考虑到建筑结构的空间布局、荷载情况等。
一般来说，桁架间距越小，结构的刚度越大，但也会增加材料用量和施工复杂度。
3.桁架材料：桁架结构的常用材料有钢材和混凝土。
钢材具有高强度和轻质的特点，适用于大跨度和多故障的结构；混凝土则具有良好的耐久性和火灾性能，适用于重要建筑和地震烈度较高的地区。
选择桁架材料需要综合考虑材料的性能、成本和环境影响等因素。
4.桁架节点：桁架节点是指桁架中不同构件连接的地方。
桁架节点的设计需要考虑到结构的刚度、强度和施工的方便性。
常用的桁架节点有焊接节点、螺栓连接节点和焊接螺栓混合节点等。
选择合适的桁架节点可以提高结构的整体性能和安全性。
5.桁架纵向连接：桁架纵向连接是指桁架结构的上下相邻部分的连接。
常用的纵向连接方式有焊接和螺栓连接。
焊接连接具有较高的强度和刚度，但需要在现场进行，并且对材料有一定要求；螺栓连接则可以在工厂预制，现场安装方便，但强度和刚度略低于焊接连接。
根据实际情况，可以选择适合的桁架纵向连接方式。
综上所述，交错桁架结构体系的参数包括桁架高度、桁架间距、桁架材料、桁架节点和桁架纵向连接。
这些参数的选择需要综合考虑建筑功能、设计要求、地震烈度等因素，以实现结构的安全性、经济性和施工便利性。
交错桁架结构分析中楼板模型的比选
注 ： 于交 错 桁 架 体 系 楼 板 需 要 承受 面 内剪 力 作 用 ， 须 用 板 壳 由 必
过算 例对 比分 析 ， 行 了不 同楼 板 假 定 对 整 体 分 进 析 和楼板受 力 影 响 的 比较 研 究 ， 旨在 为 交 错桁 架 楼 板体 系确 定 合 适 的楼 板 选 型 ， 以此 来 满 足 分 析
Ｋ ＬＩ ‘ 。ＫＬ１ ‘ 。ＫＬ１ ‘ ’ＫＬＩ 。 ‘ＫＬＩ ’ ‘ Ｋ ＬＩ ６０ ０ ｏ ６Ｏ ０ ０ ６ ｏ ） （ ０ ６Ｏ ０ ０ ６０ ０ ０ ６ ０） （ ０
。ＫＬＩ 。 ６Ｏ ｏ ０
图 １ 交错 桁 架 算 例 平 面 布 置 图（ 位 ： 单 ｍｍ）
第 ８卷第 ４ 期 ２１ 年 １ 月 ０１ ２
长 沙 理 工 大 学 学 报 （自 然 科 学 版 ） Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｈ ｎ ｓ ａＵ ｉｅ ｉ ｆ ｃ ｎ ｅａ ｄＴ ｃ ｎ ｌ ｙ Ｎ ｔ ｒｌ ｃ ｎ ｅ ｏ ｒ ａ ａ ｇｈ ｎｖｒ ｔ ｏ ｉ ｃ ｎ ｅ ｈ ｏｏ （ ａｕ ａ Ｓ ｉ ｃ ） ｏＣ ｓｙ Ｓ ｅ ｇ ｅ
Ｔａ ｌ Ｓ ｆｗａ ｅ ｃ ｏ ｃ ｆｓａ ｄ ｌ ａ ｄｎ ｂ ｅ１ ｏ ｔ ｒ ｈ ｉｅ ｏ ｌｂ ｍｏ ｅ ｎ ｉ ｇ ｈ ｌ ｔｕ ｄ ｒ ｄ ｆｅ ｅ ｔｓａ ｓ ｕ ｔ ｎ ｉ ｎ ｅ ｉ ｒ ｎ ｌｂ ａ ｓ ｍｐ ｉ ｓ ｓ ｆ ｏ
但对 于交错 桁 架 ， 于 其楼 板传 力 机 理 的特 殊性 ， 鉴
摘
要 ： 对 刚性 楼 板 假 定 和柔 性 楼 板 假 定 ， 合 国 内常 用 的 结 构 设 计 软 件 Ｅ Ｂ 、 Ａ ２０ 针 结 ＴＡ Ｓ Ｓ Ｐ ０ ０和 Ｐ Ｍ ， ＫＰ 通
钢结构错列桁架体系结构分析与设计方法
采 用 帕 氏桁 架 或 者 混 合 桁 架 ，桁 架 中 的 斜 腹 杆 会 基
的假 定，错列桁架体系 的实际材料是线弹性材料 ， 现将其假 定为建筑钢材 。（ ２ ）基 本构 件的假定，假 定错 列桁架体系 的基本构 件为 框架柱、平面桁架的 杆件 、楼 层板。（ ３ ）楼层 板的假定，假定楼层板是 竖向构件的水平位 移在 同一层楼板水平高度上是相 等 的；（ ４ ）可 以忽 略的次要效应，这是指一些影响
２ ． 腹 杆 的 设计
６ ．栓钉剪力连接件设计
在错列桁架 体系中，剪力连接件具有 十分重要
的传递作用 ，在钢 弦杆与混凝土翼缘 的交 界处，会
、
错列桁架体 系结构的分析
１ ．一阶弹性分 析 错列桁 架体系是一种极其 复杂的结构，分析工
产生一定 的剪 力，而剪力连接件就是对 该剪力进行
【 关键词 】 钢结构 错列桁架体 系 分析 设计
５ ．组合楼盖 设计 在错 列桁架体系 中， 楼盖是 比较重要的一部分 ， 对整个 结构起着无法替代 的作 用，错列桁架体系 需 要承 受一定的重力荷载 ，当重 力荷载需要传递到竖 向构件 中时，就需要楼盖来 发挥 作用 。在进行楼 盖
所使 用的材料和构件要满 足要 求 在楼盖 的施工 阶 段，压型钢板需要具有 一定的强度，并且在变形 方
者发现 ，在高层 的住宅及 旅馆 建筑中同样可 以采用
错列桁架体系 。现今 ，国外许多 国家的建筑都 已经 应用 了错列桁架体 系，但是在国 内，该体系 的应用 及其少见 ，甚至可 以说是空 白，由此可见 ，本文 的 研究具有十分重要的现实意义 。
钢结构交错桁架的优化设计
钢结构交错桁架的优化设计
钢材具有强度高、材质均匀、塑性韧性好、质量轻、制造方便等优良性能,一直是建筑结构的重要材料。
随着这些年来我国年钢产量的迅速增长和建设部大力推广钢结构在多、高层民用建筑中应用的政策发布之后,钢结构这种建筑结构形式在我国的高层建筑中的应用也随之增长迅速。
交错桁架结构体系是在钢框架结构的基础上发展而来的一种新型结构体系,适用于高层民用建筑。
交错桁架结构体系是由平面桁架、柱、连梁、楼板组成的空间结构体系,传统的交错桁架结构柱距较大,这样有利有弊,在得到比较大的房屋面积的情况下也减小了结构的纵向抗侧刚度。
传统交错桁架结构的纵向抗侧刚度比横向抗侧刚度小很多,这大大减小了结构的抗震性能。
若要提高侧向刚度需要增大梁和柱的截面,但会使得用钢量大大增加,在结构纵向布置柱间支撑是更经济合理的方式。
本文主要研究内容:(1)为了提高结构的纵向刚度,在结构的纵向布置四种不同形式的柱间支撑:单斜支撑、X型支撑、V型支撑和人字型支撑。
使用PKPM的PMSAP版块对这四种模型进行建模分析,选出位移最小且最经济合理的布置形式是人字形支撑。
并对人字型支撑的布置数量和布置位置进行了分析,为实际建筑设计提供参考,在满足结构功能要求的同时,又能做到安全可靠、经济合理。
(2)为了提高结构的整体抗震性能,将粘滞性阻尼器运用到钢结构交错桁架体系中,使用ANSYS 有限元分析软件建立了三个模型:原结构模型、在桁架空腹节间两边斜腹杆增设粘滞性阻尼器的模型、在桁架空腹节间竖腹杆增设粘滞阻尼器的模型。
对三个模型进行了罕遇地震作用下的弹塑性动力时程分析,通过对比三个模
型的位移和杆件内力得出粘滞性阻尼器可以提高钢结构交错桁架的抗震性能。
交错桁架钢结构体系应用技术与示范
交错桁架钢结构体系应用技术研究与示范目录1概述 (1)1.1序言 (1)1.2交错桁架应用现状 (2)1.2.1起源 (2)1.2.2特点 (2)1.2.3典型应用案例 (3)1.2.4相关技术标准 (4)1.3国内外研究现状 (4)1.4本项目研究背景及研究内容 (6)2交错桁架结构体系分析 (7)2.1交错桁架简介 (7)2.1.1交错桁架的组成 (7)2.1.2建筑上的特点 (8)2.2交错桁架结构体系的受力性能特点 (10)2.2.1在竖向荷载作用下的受力性能特点 (10)2.2.2在水平荷载作用下的受力性能特点 (10)2.3构件与节点设计 (12)2.3.1柱的设计 (12)2.3.2桁架的设计 (12)2.3.3节点设计 (14)2.4新型简化计算模型的提出与分析 (16)2.4.1水平交叉支撑模型的提出 (16)2.4.2水平交叉支撑模型在水平荷载计算时的适用性 (18)2.4.3水平交叉支撑模型在竖向荷载计算时的适用性 (22)2.4.4结论 (26)2.5本章小结 (26)3关键应用技术研究 (27)3.1提高结构纵向刚度的新型方案 (27)3.2提高桁架弦杆局部抗弯承载力的方法 (30)3.3柱-桁架全螺栓节点 (33)3.3.1节点的提出 (33)3.3.2有限元分析 (35)3.3.3对现有规范中节点板公式的建议 (38)3.4减小端斜腹杆截面尺寸的方法 (39)3.5本章小结 (42)4重要参数分析 (43)4.1层数 (43)4.2柱距 (45)4.3跨度 (46)4.4层高 (48)4.5节间数 (49)4.6本章小结 (49)5示范工程 (51)5.1柯北宿舍楼项目简介 (51)5.2结构设计 (52)5.2.1结构布置 (52)5.2.2设计依据 (55)5.2.3设计基本条件 (56)5.2.4结构计算 (58)5.2.5主要计算结果 (60)5.3施工工况分析 (75)5.4施工技术措施 (78)6结论 (83)参考文献 (84)1概述1.1序言据中国钢结构协会资料表明，我国钢产量自1996年以来稳居世界第一位。
钢结构交错桁架集成宿舍楼电气管线设计浅析
系统解决方案钢结构交错桁架集成电气管线设计浅析庄（浙江美阳国际工程设计有限公司上海分公司，上海310005）摘要：制定科学合理、经济高效的设备管线敷设方案和排布路由，并及时配合结构专业做好预制构件预留预埋,是顺利完成装配式建筑电气管线设计的关键。
本文举例阐述了运用钢结构交错桁架体系的装配式集成宿舍楼中电气管线设计思路及应用。
关键词：钢结构交错桁架；集成建筑；电气管线设计Analysis on Design of Electrical Pipeline of Integrated Dormitory Building with SteelStructure Staggered TrussLI Lianzhuang(Shanghai Branch,Zhejiang Meiyang International Engineering Design Co.,Ltd.,Shanghai310005,China)Abstract:It is the key to successfully complete the design of electrical pipelines for prefabricated buildings by formulating scientific and rational,cost-effective equipment pipeline layout schemes and routing,and timely matching the structure to pre-prepare the prefabricated components.This paper illustrates the design ideas and applications of electrical pipelines in a fabricated integrated dormitory building using a steel structure staggered truss system.Key words:steel structure staggered truss,integrated building,electrical pipeline design1集成建产业园（一期）柯北楼为集体楼，楼的结构布置同,底层层高3.3m,其它层层高3.0m,共五层，总建筑面积约1.3万m2,每栋楼设有112间宿舍，每层设置两部疏散楼梯，均为楼梯间。
交叉桁架体系
第2章 网架结构
1．分类
（2）支承方式
多跨，单跨 四点支承，多点支承，
周边支承
第2章 网架结构
1）柱帽设置在网架下弦平面下，就是在支点处向下 延伸一个网架高度； 2）柱帽设置在网架上弦平面之上，就是在支点处向 上延伸一个网架高度，形成局部加高网格区域； 3）柱帽布置在网架内，将上弦节点直接搁置于柱顶， 使柱帽呈伞形 。
第2章 网架结构
2、网架高度
①网架高度：影响刚度，上、下弦杆的内力和腹杆的经 济性； ②确定原则：一般使腹杆与弦杆的夹角为40-60°； ③高跨比：钢砼板屋面体系 10-14, 钢檩条屋面体系 (1317)-0.03L2
第2章 网架结构
3、屋面起拱和排水 ①一般情况下，网架刚度大，不需起拱；
（a）
当L2≥60m时，采用不大于1/300的起拱度； ②屋面排水坡度的做法：(一般取1-4%)
（b）
上弦节点加小立柱找坡；
网架变高度； 整个网架起坡； 支承柱变高度；
第2章 网架结构
4.网架结构的容许挠度
网架结构的容许挠度不应超过下列数值： 用作屋盖为 L /250
2
用作楼盖为 其中
L2
/300
L2
——为网架的短向跨度
2．交叉桁架体系
（1）结构组成
平行弦桁架相互交叉组成； 较长的斜腹杆受拉，较短的竖杆受压，上下弦杆等长；
斜腹杆与弦杆间的夹角宜取40-60°；
桁架的节间长度即为网格尺寸。
第2章 网架结构
2．交叉桁架体系 （2）两向正交正放网架 两组平面桁架互相垂直，与边界平行 ，上下弦杆网格 尺寸相同，桁架长度相同，几何可变，应设支撑，正 方形平面内力分布均匀 由于上下弦杆组成的网格 为矩形，腹杆又在上下弦 平面内，属几何可变。一 般可在上下弦平面周边区 格范围内增设附加斜杆
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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.3Jun.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.图1 4m 柱距交错桁架方案Fig.1 S taggered truss schem e of the 4m columnspacing图2 5节间桁架Fig.2 T russ w ith five panels1.2 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309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 spacingQ345B 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 -2Floo r permanent load/kN #m -2M ar ket and stair3.5Flat building 2.0Roo fing 2.0First flo or 6.52nd~4th floor 5.0Flat building 5.0Roo fing 6.02.3 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卷执行5矩形钢管混凝土结构技术规程6(CECS159:2004)[5]第5.2.2条规定,按规定的抗弯刚度、抗压刚度公式,将矩形钢管混凝土柱等效换算成方钢管柱,将原结构换算成钢框架-剪力墙.2.3.1 构件定义结构建模在PKPM 的ST S 模块中完成,需要定义建模需要的各种构件截面.所有柱子及桁架的竖腹杆以/柱定义0方式确定;桁架的弦杆和框架梁及次梁以/主梁定义0方式定义;桁架所有斜腹杆和支撑按/斜杆定义0方式输入;剪力墙按/墙定义0方式输入.2.3.2 楼层定义由于1~4层结构形式完全一样,建模时只需定义一个结构标准层;而交错桁架每一层由于桁架位置不同,同时为了修改方便,每层交错桁架定义一个标准层.对应于每层桁架所在轴线的位置,依次布置柱子、桁架竖腹杆和本层桁架的上弦杆,而每层桁架的下弦杆是在布置前一层结构时就已经布置完毕.此处的难点在于桁架斜腹杆的布置,斜腹杆需按预先划分桁架节间的轴线点位置确定其倾斜方向.如果斜杆以低标高点向高标高点划线确定,则斜杆第1个节点需要输入其标高相对于本层地面的标高为/00值,而另一个点则需输入相对于本层地面的标高为/10值,意味着这个点的标高和层高相同.其他如荷载定义、楼层组装、楼板输入等过程,大家都不陌生,为节省篇幅,一并省略.2.4 SATWE 特殊构件和关键参数2.4.1 SAT WE 特殊构件处理在STS 模块建完计算模型后,依次完成荷载定义、楼层组装、楼板输入等过程,在进入SATWE 模块的设计和验算过程.由于交错桁架的构件节点具有以下特征:交错桁架体系桁架的腹杆与弦杆的连接以及弦杆与柱子的连接在计算时要按半铰接处理,而桁架弦杆要按连续压弯杆件设计[6].为在PKPM 分析中实现上述节点特性,需要在SAT WE 模块/分析与设计参数补充定义0中选择/特殊构件补充定义0菜单,对各个标准层桁架弦杆、竖腹杆进行处理.弦杆与柱子的半铰接是通过将与柱子相连节间的弦杆,定义为/一端铰接0的/特殊梁0来实现的.竖腹杆需要将其定义为/两端铰接0的/特殊柱0来完成的.由于斜腹杆在SATWE 模块中已经默认为是/两端铰接0的二力杆件,此处不需另外定义.2.4.2 SAT WE 关键设计参数选择在菜单/分析与设计参数定义0中,对一些关键参数作如下选择:¹/结构规则性信息0选择/不规则0;º考虑双向水平地震作用和偶然偏心;»交错桁架结构的墙体采用轻质墙体,周期折减系数取值0.95;¼钢梁为不调幅梁,负弯矩调整系数取1.0,考虑楼板组合效应后的钢梁刚度放大系数按5高层民用钢结构技术规程6(JGJ99-98)规定,中梁刚度放大系数取1.5,边梁刚度放大系数取1.2.2.4.3 SAT WE 关键计算参数控制PKPM 程序根据结构的特点,按照5钢结构设计规范6(GB50017-2003[7]和5高层民用建筑钢结构技术规程6(JGJ98-99)中所给公式对钢构件进行截面整体稳定、局部稳定和强度、刚度的验算;按5混凝土结构设计规范6(GB50010-2002)[8]对剪力墙进行配筋和验算.设计时柱子轴压比限值取为0.8,柱子应力比限值取为0.90;而桁架弦杆和梁应力比限值取为0.95;桁架腹杆和支撑应力比限值取为1.上述处理方式,可以保证结构在遭遇强震时,构件破坏次序为:桁架腹杆和支撑y 梁y 柱,体现多道结构抗震防线的设计理念.余下步骤就是结构分析、截面配筋设计与验算,以及分析结果的后处理.检验结构设计是否满足设计规范的要求.如不满足,需重新设计构件,再运行前述各个过程.2.5 SAP2000辅助验算辅助验算采用了通用有限元计算软件SAP2000,Frame 单元模拟框架柱、梁、桁架和支撑的受力特性.楼板则采用能够同时考虑平面内外荷载和变形的四点空间板壳Shell 单元模拟,地震作用采用振型分解反应谱法计算.观察两种计算软件的对比计算结果,发现二者的结果相差不到10%,SA TWE 的计算结果更保守一些,所以提供的计算数据均为SATWE 的计算结果.三种结构方案的一些技术指标数据和用钢量如311第6期 卢林枫等:交错桁架结构的设计表2所示.表2结构分析结果T ab.2Results of s tr uctural analysisScheme name F undamentalperiod/sT he lar gest later al sto ry-dr iftang le under ear thquakeT he larg est lateral stor y-driftang le under w indsteel co nsumpt ion/kg#m-2P rimar y scheme 1.78081/9561/124575 Scheme1 2.5321/8561/76745Scheme2 1.4571/12601/1767603方案评价3.1技术指标评价原设计方案在弹性设计阶段,结构基本周期为T1=1.7808s,其他数据指标也基本反映了钢框架-剪力墙结构侧移刚度较大的特点,但用钢量也较大.而方案1采用4m柱距的交错桁架,在用钢量显著降低的同时,结构基本周期提高显著,结构抗震性能得到了明显改善.方案2采用8m柱距的交错桁架,结构侧移刚度得到显著提高,甚至高于原方案结构的侧移刚度,用钢量较方案1有所增加,但仍低于原方案.3.2经济指标评价(1)自重轻节约基础成本.一般高层钢结构自重约为混凝土结构自重的1/2~3/5,结构自重可降低40%以上.交错桁架结构自重较普通钢框架-剪力墙更轻,可以使基础的造价降低,尤其在南方软土地区结构自重降低40%后,基础造价的降低幅度则更为明显.(2)增加建筑使用面积.与钢筋混凝土材料柱子相比,钢结构柱截面面积小,其外轮廓面积仅为钢筋混凝土柱的1/3,从而可增加建筑有效使用面积.高层建筑中,钢柱的截面面积占建筑面积的3%左右,而混凝土柱的截面面积占建筑面积的7%~9%[9].(3)工期短.钢结构的施工速度约为混凝土结构施工速度的1.5倍.结构施工周期的缩短,可使整个建筑更早投入使用,缩短贷款建设的还贷时间,从而减少借贷利息.假设本项目投资回收期为三年左右,采用钢结构比采用混凝土可以提前半年使用,则近似地相当于采用钢结构比采用混凝土结构节省投资18%[9].(4)套用福建省概(预)算定额对方案1的结构成本作了概算,该方案的结构概算成本约为1330元/m2,高于钢筋混凝土框架-剪力墙结构方案1000元/m2的概算.但这一价差会因前述3条优点得到一定的补偿,从而提高了工程的综合经济效益.例如,该项目销售价格均价为5000元/m2,按最低增加建筑面积4%计算,此项就相应对结构成本补偿了200元/m2.4结论(1)对于越来越普遍的商住写字楼或酒店式公寓,采用交错桁架与剪力墙或支撑体系组成受力结构,可以收到令人满意的效果.(2)交错桁架体系的纵向刚度弱于横向刚度,要保证纵向层间位移角满足规范要求,宜设置剪力墙或支撑体系来增加刚度,减小位移.这也说明,交错桁架体系中,不宜在纵向采用纯刚性框架作为主要抗侧力体系,否则会增加结构成本.(3)通过两种柱距交错桁架方案对比,交错桁架体系在设计某种特定功能建筑(办公、公寓)时,应该存在一个经济柱距,使结构在满足设计规范要求的同时可以获得最优的结构成本.(4)钢管混凝土柱可以作为交错桁架柱子的主要形式之一,尤其是在高层交错桁架建筑,其经济性明显优于传统的工字形截面钢柱.(5)如果采用矩形钢管混凝土柱,而桁架也采用矩形钢管混凝土桁架,则构成的矩形钢管混凝土交错桁架又是一种值得研究和推广的新型结构体系.312西安建筑科技大学学报(自然科学版)第38卷参考文献 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prog ram SA P2000,the behavio r of aseismic and r esist ance t o wind o f steel frame -shear w all st ruct ur e w it h stag ger ed truss -shear w all st ructur e are ado pted in ana lyzing the steel mater ial quantity o f each structure scheme under satisfying design co de.T he co ntrastie desig n r esults sho w that the steel consum p -t ion of stag ger ed tr uss -shear wa ll str ucture is lo wer than that o f the steel frame -shear wall structure,and the long itudinal frame structure for m may affect t he steel consumptio n to t he stagg ered truss.T he desig ner is advised to ado pt shear w all or br acing system to str eng then long itudinal frame stiffness.Key words:s tag ger ed tr uss ;s teel str uctur e hous e;steel str uctur e des ign;economical estimation313第6期 卢林枫等:交错桁架结构的设计*Biography:LU Lin -feng,Ph.D.,Xi p an 710064,P.R.China,Tel:0086-29-82337399,E -m ail:54LLF@。