某装配式交错桁架结构经济布局分析

2021-06-12冷新中李泽深胡雪雅

中国建筑金属结构 2021年5期

冷新中李泽深胡雪雅

1.结构特性

装配式交错桁架结构有如下特点：（1）除楼梯间等局部位置，钢柱布置于建筑的外围，建筑室内无中间柱子，可以节省中间柱子占用面积。（2）钢桁架沿框架柱交错布置，除首层外，桁架的高度与建筑层高相同，跨度与建筑的结构宽度相同，桁架两端支撑于框架柱上。（3）混凝土楼板一端支撑在钢桁架的上弦杆，另一端则支撑在相邻上层桁架的下弦杆上。

基于上述结构特性，因此交错桁架结构建筑具有空间大，建筑内部没有中柱，便于建筑的灵活布置；建筑净空大，由于楼板支撑与桁架弦杆，没有次梁等优点。

交错桁架结构适用于中间具有内廊的建筑，比如办公楼、酒店、公寓等。其由框架柱、横向桁架组成横向抗侧力结构，框架梁柱、纵向支撑组成纵向抗侧力结构。结构的水平荷载通过楼板传递给横向桁架，再传递给柱子，结构构件主要承受轴力，可以较好地发挥材料的性能[1]。

2.工程概况

为了研究装配式交错桁架结构在常规建筑布局下的经济性能，本文选取某七层内廊式办公建筑，建筑跨度为8m+2.5m+8m=18.5m，建筑功能为某公司办公楼，结构剖面图如图1。为了研究不同桁架间距、不同层高情况下，交错桁架结构的经济性，按照一层、二层～七层层高分别为3.6m、3m（层高工况1）；3.9m、3.3m（层高工况2）；3.9m、3.6m（层高工况3）进行的对比计算分析，同时桁架间距分别为：3.6m（间距工况1）、3.9m（间距工况2）、4.2m（间距工况3）、4.5m（间距工况4）、4.8m（间距工况5）。

图1 结构剖面图

对不同层高工况、不同桁架间距工况进行排列组合，共15 种分析工况。结构荷载：楼板厚度120mm 厚，恒载由软件自动计算；附加恒载考虑50mm 装修面层、吊顶等，取150kg/m2。活载取值按照现行荷载规范取值。

3.计算分析

计算采用有限元软件YJK，建立整体空间结构模型进行计算分析。对上述15 个模型的计算分析，并且按照现行规范指标进行结构、构件的优化设计。对每种分析工况下的结构的用钢量、楼板钢筋用量等参数，同时对钢柱、桁架弦杆等主要受力构件截面进行了统计分析。

3.1 构件截面分析

通过计算分析，在不同的层高工况，桁架间距工况条件下，建筑主要受力构件钢柱为矩形截面，桁架弦杆为H 型钢梁，钢材材质为Q355B。

通过分析，在桁架间距一定，层高增大的情况下，钢柱截面规格在增大，工况1 到工况2 时，钢柱截面变化不大，工况3 时，由于层高突破多层建筑，因此钢柱截面有较大幅度增大；在层高工况一定，桁架间距增大的情况下，间距1—间距2 工况下，钢柱截面变化不大，间距3—间距5 工况下，随着桁架间距的增大，分担荷载的增加，钢柱截面有较大幅度增大。

在各种工况下，桁架弦杆的截面规格没有变化，由于交错桁架的桁架高度相当于楼层高度，建筑跨度为18.5m，桁架上弦、下弦均有楼板约束，因此具有较大的荷载适应范围。考虑到制造加工、连接节点等，没有再对弦杆进行优化[2]。

3.2 层高对经济指标的影响

在桁架间距保持一定，对不同层高工况的用钢量指标进行了数据分析，用钢量指标详见图2。可以看出，在桁架间距一定的情况下，随着结构建筑层高、建筑高度的增加，用钢量呈线性增长。工况1 变化到工况2，用钢量增加比例不大，工况2 变化到工况3 用钢量有大幅度增加，由于工况3 的建筑高度超过24m，需按照高层建筑相关指标设计构件，因此引起用钢量的较大幅度增加。

图2 用钢量曲线图

3.3 桁架间距对经济指标的影响

在层高工况保持一定，对不同桁架间距工况的用钢量指标进行了数据分析，每平方米用钢量指标详见图3。在层高工况1 情况下，用钢量指标在间距工况1～工况3 之间以较大幅度下降，间距工况3～工况5 之间缓慢上升。在间距工况3，即间距为4.2m 时，用钢量最省；在层高工况2、工况3 情况下，用钢量指标在间距工况1～工况4 之间以较大幅度下降，间距工况4～工况5 之间缓慢上升。在间距工况4，即桁架间距为4.5m 时，用钢量最省[3]。