某托柱转换的型钢混凝土桁架研究

2021-03-20陈飞

工程技术研究 2021年1期

陈飞

大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁大连 116024

随着建筑需求的急剧增加与结构计算的长足发展，大跨度钢桁架、型钢混凝土桁架在复杂高层结构中的应用越来越广泛[1-2]。由于各参建单位技术水平不一，对大跨度结构的重视性不足，出现了一些工程事故[3]。为此，文章对某框剪结构局部托柱转换的型钢混凝土桁架进行了数值分析并结合现场实测结果，研究了型钢混凝土桁架的承载能力，可供类似工程设计与施工参考。

1 工程概况

某科研办公楼位于大连市高新区，地下2 层，地上12 层。建筑物2 ～3 层右侧局部采用了型钢混凝土桁架托柱转换，转换桁架跨度18m（②～④轴），具体见图1。该型钢桁架的上下弦采用型钢混凝土，型钢为箱形截面：600mm×400mm×20mm×26mm（高×宽×腹板厚×翼缘厚）；竖腹杆也采用型钢混凝土，型钢为箱形截面：400mm×400mm×26mm×26mm（高×宽×腹板厚×翼缘厚）；上述钢箱内均填充C50 自密实混凝土；斜腹采用钢梁：400mm×300mm×20mm×26mm（高× 宽× 腹板厚× 翼缘厚），钢材强度等级为Q345。钢结构均为工厂加工后运至现场安装。

图1 型钢混凝土桁架转换结构示意图（单位：mm）

为加快施工进度，拟取消原设置在③轴处施工临时支撑点。为保证型钢混凝土桁架的受力性能与结构安全，对②～④轴的桁架结构进行受力分析，同时，监控、检测该桁架层在施工过程中的变形情况。

2 转换桁架受力分析

2.1 转换桁架估算

适当简化转换桁架的边界条件，保守考虑，将桁架简化为简支体系，具体见图2（a）。按经典力学，估算如下：对转换桁架的框架柱仅考虑轴力F 的作用下，按结构受力原理，可将零杆ac、cd、ef、gh、gj 拆除，对受力模型进一步简化，具体见图2（b）。

图2 转换桁架计算的力学模型

仅考虑型钢的受力，不考虑其内充及外包混凝土的作用进行计算。在轴力F 作用下，杆件cf 与fg 的轴力最大，按杆件应力fcf与ffg达到钢材屈服强度（fy=335MPa）反算，得出各杆件相应轴力如下：Nab=Nij=-10737kN；Nbd=Nde=Neh=Nhi=-11446kN；Ncf=Nfg=22902kN；Nce=Neg=-15698kN；Nbc=Ngi=15698kN。

各杆件相应应力如下：fab=fij=-157MPa；fbd=fde=feh=fhi= -168MPa；fcf=ffg=335MPa；fce=feg=-251MPa；fbc=fgi=251MPa。此时，轴力计算公式如下：

读取结构设计计算模型中施工阶段的被转换柱柱底荷载，其标准组合最大轴力Fk为13500kN。可见，在被转换柱的竖向荷载作用下，钢桁架的承载力为设计荷载的1.59倍，有较大的安全裕量。

2.2 转换桁架的有限元分析

利用有限元软件，对型钢混凝土桁架进行分析。

分别采用大型通用有限元软件ANSYS[4]的Link8 杆单元（仅考虑杆件的拉压、节点为铰接）和Beam188 梁单元模型（考虑杆件的弯曲、节点为刚接），与ZEUSNL 软件[5]的纤维单元模型计算，具体见图3。其中，ANSYS 软件模型仅考虑型钢的受力，不考虑其内充及外包混凝土的作用；ZEUSNL 软件模型对前述内充与外包混凝土予以考虑。得出在跨中荷载F 作用下的荷载-位移曲线，具体见图4。

图3 钢桁架数值计算模型

图4 各计算模型下的荷载-位移曲线

从图4 的ANSYS 计算结果可见，虽然有限元模型的杆件单元差异较大，但得到的荷载-位移曲线比较一致，表明在桁架结构承载能力计算中，采用杆单元的计算进度可达到与梁单元接近的效果。同时，按杆件单元的计算结果，与估算结果也基本吻合。

由于ZEUSNL 模型的纤维单元中考虑了钢箱内充与外包混凝土的作用，与ANSYS 的计算结果相比，其计算结果刚度略偏大，承载力稍偏高，但整体趋势基本一致。

有限元计算分析的结果表明，不同软件、计算模型中选取不同杆件单元时，钢桁架的计算屈服承载力均超过20000kN，超过施工阶段上部9 层结构自重产生的柱底轴力1.5 倍以上，安全储备较高。

3 转换桁架的实测结果

主体结构施工时，利用全站仪与高精度水准仪，对转换桁架的跨中挠度进行测量。同时，按读取的结构设计计算模型施工阶段被转换柱的柱底荷载，标准组合最大轴力F=13500kN，假定上部9 层的每层荷载均为1500kN，并对比跨中挠度测量结果与各有限元模型的对应计算值，具体见表1。

表1 跨中挠度实测值与有限元模型计算值的对比

由表1 可见，由于有限元模型计算简化时，未考虑两侧主体结构对转换桁架的约束，略去了实际结构的约束边界条件，导致转换桁架的刚度与承载力相对实际结构减弱很多，因此跨中挠度的有限元模型计算结果远大于现场实际测量值。同时，由表1 可知，现场实际测量的跨中挠度在每层施工结束时，基本趋势呈线性变化，表明结构在各施工阶段一直处于弹性状态，未达到屈服。