鋼筋混凝土桁架在建筑結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用

江玉泉

摘要：在建筑結(jié)構(gòu)加固工程中，鋼筋混凝土桁架安裝快速便捷，能充分利用材料的強(qiáng)度，有利于節(jié)省材料，減輕自重和增大剛度，因此在較大跨度的承重結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。本文介紹了單層鋼筋混凝土桁架梁的形式和其幾種結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其受力性能進(jìn)行了對(duì)比分析，總結(jié)出鋼筋混凝土桁架的受力特征，以改造加固工程為例，提出合理的鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)，并提出相關(guān)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和建議。

關(guān)鍵詞：建筑工程；結(jié)構(gòu)加固；鋼筋混凝土桁架

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速增長(zhǎng)，城市里的建筑工程越來(lái)越多，人們?cè)陉P(guān)心建筑的外觀設(shè)計(jì)以外，更關(guān)注的是建筑的堅(jiān)固耐用程度。因?yàn)樵O(shè)計(jì)和施工等原因，建筑的質(zhì)量往往不高，所以我們就要對(duì)建筑進(jìn)行改造加固，如何做好建筑的改造加固工作成為了人們思考的問(wèn)題。下面就這方面的問(wèn)題進(jìn)行討論分析。

1 工程概況

某建筑寫(xiě)字樓其平面形狀比較規(guī)則對(duì)稱，地上8層，全現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，首層層高3.9m，其余各層均為3.0m，自首層地面到主要屋面的總高度為27.8m。原結(jié)構(gòu)六層及六層以下混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C35，七層及七層以上混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，柱子截面尺寸為600mm×600mm，主梁截面尺寸為300mm×700mm，次梁截面尺寸為240mm×600mm，樓板厚度均為120mm。現(xiàn)在對(duì)梁進(jìn)行改造加固處理，經(jīng)過(guò)初步分析，若采用傳統(tǒng)的比較成熟的增大截面加固法，其截面高度至少為1.5m以上，形成轉(zhuǎn)換梁，這樣的話，其截面尺寸是柱的兩倍多，造成較大的剛度突變，梁的剛度遠(yuǎn)大于柱的剛度，違背了設(shè)計(jì)規(guī)范中的強(qiáng)柱弱梁的要求?？紤]到結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)，單層鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)傳力明確，開(kāi)洞設(shè)置管道方便，能很好的滿足建筑空間要求，其自重和抗側(cè)剛度比轉(zhuǎn)換梁小，使質(zhì)量和剛度突變相對(duì)緩和，地震反應(yīng)比轉(zhuǎn)換梁要小的多，因而在橫向選用兩個(gè)鋼筋混凝土桁架轉(zhuǎn)換梁[1]。

2 鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)的形式

鋼筋混凝土桁架多用于屋架、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)和和塔架，受荷時(shí)以彎曲變形為主，類似于梁的受力特性，但又有桁架的受力特點(diǎn)，其受力明確，傳力途徑清晰。主要由上弦桿、下弦桿、直腹桿或斜腹桿組成。主要結(jié)構(gòu)形式有空腹桁架、斜腹桿桁架和混合桁架，如圖1所示。在實(shí)際工程中，在下弦桿中施加預(yù)應(yīng)力能抵消下弦拉力和部分彎矩，使下弦由偏心拉桿轉(zhuǎn)變?yōu)槠膲簵U，提高了剛度，有效控制裂縫。

3 在豎向荷載作用下鋼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 減少豎腹桿間距對(duì)空腹桁架的受力性能影響

如圖2所示，對(duì)1-3三種桁架模型進(jìn)行受力分析可知，下弦桿主要承受拉力，還承受彎矩和剪力，中間部位的拉力非常大，向兩端遞減，兩端會(huì)出現(xiàn)壓應(yīng)力，承受彎矩和剪力的特性類似于梁，隨著腹桿間距的減少，加大了空腹桁架梁的整體剛度，使下弦桿的拉力趨向均勻，減小了下弦桿的彎矩、剪力和跨中撓度。上弦與下弦的受力特征相反，中間受壓，壓力值向梁端遞減，端部出現(xiàn)拉應(yīng)力，隨著腹桿間距的減少，壓力值趨向均勻。豎腹桿承受彎矩、剪力和軸力，內(nèi)力分布從中間向梁端支座遞增，即靠近支座腹桿的內(nèi)力最大，隨著腹桿間距的減少，腹桿的內(nèi)力加大。1-3種桁架模型的撓度均比較大。

3.1.2 腹桿間距不等對(duì)空腹桁架受力性能的影響

如圖2所示，模型4（豎腹桿中間密兩邊稀）與模型5（豎腹桿中間稀兩邊密）進(jìn)行對(duì)比分析得，在支座部位加密豎腹桿，可增加桁架的剛度，能有效的減少桁架的跨中撓度，但加密中間的豎腹桿，對(duì)桁架結(jié)構(gòu)受力性能影響小。

3.1.3 改變桁架的截面尺寸對(duì)空腹桁架受力性能的影響

加大下弦桿的截面尺寸，對(duì)桁架的受力性能是有利的，但不宜增大太多，否則下弦很容易形成獨(dú)立梁的受力特性，失去桁架的特性。增大上弦桿的截面尺寸，相當(dāng)于增大其剛度，內(nèi)力相應(yīng)增大，從而減小了下弦桿的內(nèi)力，有利于增強(qiáng)空腹桁架的共同工作效應(yīng)。加大豎腹桿的截面尺寸，即增大豎腹桿的剛度，使豎腹桿與弦桿的相對(duì)剛度減小，豎腹桿承擔(dān)的內(nèi)力相應(yīng)加大；桁架的整體剛度增大，減少了桁架的跨中撓度，降低了下弦桿的彎矩和剪力，但也增大了下弦桿的軸力。

3.2 斜腹桿桁架的受力分析

如圖1所示，對(duì)其進(jìn)行受力分析計(jì)算，斜腹桿桁架上、下弦桿如同空腹桁架，上弦主要承受壓力，中間最大并向兩端遞減，在端部出現(xiàn)拉應(yīng)力；下弦桿主要承受拉力，中間最大并向端遞減，端部出現(xiàn)壓應(yīng)力。斜腹桿所受拉壓軸力相間，其數(shù)值大小從中間向兩邊遞減。桁架所受剪力從中間最向兩邊遞增，但剪力值比空腹桁架小的多。斜腹桿桁架所受的彎矩很小，受力特性類似于空腹桁架，其跨中撓度比空腹桁架小的多。

3.3 混合桁架的受力特性

如圖1所受，對(duì)其模型進(jìn)行分析，其受力特征與斜腹桿桁架相似，其跨中撓度也差不多。

3.4 幾種鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)形式分析

通過(guò)以上三種鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)形式的分析可得：

3.4.1 不論哪種桁架形式，弦桿的受力特性相似。下弦桿主要承受拉力，中部最大并向兩邊遞減，端部可能出現(xiàn)壓應(yīng)力；上弦受壓，中部最大并向兩邊遞減，端部可能出現(xiàn)拉應(yīng)力。

3.4.2 斜腹桿桁架可以將下弦所受的較大集中力向上弦桿傳遞，從而能有效增加上、下弦的共同受力，使受力更趨向均勻，具有卸荷作用；其所受的剪力明顯小于空腹桁架，能有效提高桁架的抗剪作用。

3.4.3 斜腹桿桁架相對(duì)于空腹桁架的跨中撓度小很多。

4 工程應(yīng)用

對(duì)寫(xiě)字樓進(jìn)行改造后，大跨度梁的受荷簡(jiǎn)圖如圖3所示，結(jié)合建筑功能和梁的受力特點(diǎn)，本工程所設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)形式如圖3的混合桁架，桿件的截面尺寸：桁架兩端支座豎桿和中間豎腹桿均為原有構(gòu)件，其尺寸為600mm×600mm，弦桿亦為原有構(gòu)件，其尺寸為300mm×700mm，其他的豎腹桿和斜腹桿均為新增構(gòu)件，其尺寸均為300mm×400mm。

5 工程實(shí)際中鋼筋混凝土桁架的計(jì)算

在加固改造設(shè)計(jì)中，應(yīng)建模進(jìn)行整體分析，可采用SATWE計(jì)算軟件結(jié)構(gòu)分析，在建模時(shí)，弦桿可采用梁?jiǎn)卧?，腹桿可采用斜桿單元，弦桿所在樓層的樓板應(yīng)設(shè)置成彈性膜，若采用剛性樓板假定，則計(jì)算出的弦桿軸力趨向零，不符合實(shí)際情況；桁架節(jié)點(diǎn)可采用剛性連接，在分析計(jì)算桁架軸力時(shí)，采用剛性節(jié)點(diǎn)和鉸接節(jié)點(diǎn)的軸力相差不大，若保守設(shè)計(jì)，可采用鉸接計(jì)算，上弦按支撐于節(jié)點(diǎn)的連續(xù)梁計(jì)算。應(yīng)根據(jù)桁架的跨度和荷載的大小，是否考慮由于桿件的相對(duì)線位移和角位移引起的次應(yīng)力計(jì)算[2]。

通過(guò)較大的結(jié)構(gòu)改造后，局部結(jié)構(gòu)變的較為復(fù)雜，可按廣義層模型輸入，在計(jì)算內(nèi)力及配筋時(shí)可采用全樓彈性膜假定。由于局部層高不一致，層間位移比、層間剛度比、層間受剪承載力等計(jì)算指標(biāo)可能會(huì)失真，因而不能一概采用對(duì)常規(guī)框架結(jié)構(gòu)的判斷方法來(lái)分析這些數(shù)據(jù)，而應(yīng)加以判斷分析，確定其合理性，最終還應(yīng)按單榀框排架進(jìn)行驗(yàn)算。

6 工程改造加固設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

6.1 由于桁架梁端所受彎矩和剪力均較大，對(duì)桁架兩端的節(jié)點(diǎn)應(yīng)加固處理，可采用加大截面法即對(duì)梁加腋。

7 結(jié)語(yǔ)

由上可見(jiàn)，在建筑結(jié)構(gòu)改造加固中，采用單層鋼筋混凝土桁架梁來(lái)解決拆除柱子形成大跨度的梁，這是有效的方案。桁架為超靜定結(jié)構(gòu)，空腹桿、斜腹桿的截面尺寸及其布置對(duì)桁架內(nèi)力分布產(chǎn)生很大的影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮各方面條件，優(yōu)化桿件截面尺寸和布置形式。在進(jìn)行改造加固設(shè)計(jì)時(shí)，要注意對(duì)細(xì)部節(jié)點(diǎn)加固。