桁架式鋼骨混凝土框架承載性能分析

杜祥帥　沈爍宇　吳梅梅　曹磊　李悅　郭浩強(qiáng)

摘? ? 要：伴隨著20世紀(jì)80年代我國應(yīng)用鋼骨混凝土以來，解決了我國建筑行業(yè)的一大難題，已經(jīng)應(yīng)用到越來越多的工程中，同時通過前人的不斷努力研究創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)，新型預(yù)應(yīng)力桁架式的使用會使得結(jié)構(gòu)效果更好。本文主要通過對桁架式鋼骨混凝土框架分析，研究其產(chǎn)生的原因、意義以及其帶來的優(yōu)點，同時闡述其對建筑物抗震性能的積極影響，以及構(gòu)件的破壞形態(tài)、滯回性、延性、耗能及剛度退化等。

關(guān)鍵詞：新型預(yù)應(yīng)力;桁架式;分析;抗震

1? 研究背景

隨著時代的發(fā)展，社會的進(jìn)步，如今我們可以隨處看到高層建筑，甚至是超高層建筑，這都代表著我國建筑行業(yè)的迅猛發(fā)展，這都是前學(xué)者的理論研究和工人的技術(shù)實踐相結(jié)合產(chǎn)生的。在一些多震地區(qū)，高層建筑的底部柱子承載了極大地豎向荷載和水平荷載，這就要就柱要有突出的性能，應(yīng)具有非常好的延性和抗倒塌性;同時大跨度的建筑也越來越多，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)施工工藝無法滿足大跨度構(gòu)件力的承載，導(dǎo)致項目的可行性大大降低。桁架式鋼骨混凝土正是在這樣的背景下應(yīng)運而生的。

鋼骨混凝土的開始要追溯到上個世紀(jì)初的歐洲，到了中期，越來越多的國家進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究。日本是一個地震多發(fā)的國家，日本使用鋼骨混凝土建成了一個30米高的興業(yè)銀行，在1923年的關(guān)東大地震中，達(dá)到了7.9級，造成了嚴(yán)重的人員和財產(chǎn)損失，但是興業(yè)銀行卻沒有太大的損害，這一現(xiàn)象引起的日本工程界的關(guān)注。之后，經(jīng)過不斷地完善和探索，于1987年形成了較為完成的疊加方法，并在建筑領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計，在二十世紀(jì)八十年代里，日本六層以上的建筑，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)占到了房屋總數(shù)的45%，甚至在更高層的建筑中，鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)比例占到了80%。

在這方面我國起步較晚，但隨著近十年的發(fā)展和應(yīng)用，越來越多的鋼骨混凝土構(gòu)件應(yīng)用于我國高層建筑，如109米的大連森茂大廈、高達(dá)522米的北京國貿(mào)大廈等等。

2? 研究的意義

近年來，我國的基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模在不斷增多，建筑產(chǎn)業(yè)工業(yè)化的需求越來越迫切，其相關(guān)的理論和工藝也在不斷創(chuàng)新。與建筑工業(yè)化密不可分的就是裝配式建筑的提出，這也是當(dāng)今研究的主流方向之一。預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)體系解決了傳統(tǒng)施工周期長的缺點，對建筑產(chǎn)業(yè)工業(yè)化有著決定性的作用。在裝配式構(gòu)建中，無疑鋼結(jié)構(gòu)是最適宜的，但是其防腐耐火性能卻不能達(dá)到基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，因此，新型預(yù)制桁架式鋼骨混凝土的產(chǎn)生，再利用少量的是作業(yè)澆筑混凝土形成建筑整體構(gòu)建，就可以滿足建筑產(chǎn)業(yè)化遇到的相關(guān)問題。此外，在一些大跨度或者需要承載能力極強(qiáng)的構(gòu)建要求中，在生產(chǎn)前，可適當(dāng)?shù)奶砑宇A(yù)應(yīng)力，增大結(jié)構(gòu)的承載能力。在橋梁、工業(yè)廠房中應(yīng)用極廣。

在結(jié)構(gòu)構(gòu)造中，以角鋼作為桁架式鋼骨混凝土構(gòu)件的鋼骨架，主要具有以下特點：（1）節(jié)約鋼材，桁架式的應(yīng)用在保證受力要求的前提下，有效的節(jié)約鋼材;（2）減少構(gòu)件的自重，在施工時，操作相對方便，同時可在工廠預(yù)制加工完成，縮短了工期，節(jié)省人力;（3）梁柱節(jié)點核心區(qū)采用貫穿組合的方式，解決了傳統(tǒng)交叉穿筋的難度，減少了施工難度;（4）可預(yù)制提前完成，任意拼接，可調(diào)性強(qiáng)，適用性廣。

3? 桁架結(jié)構(gòu)的研究

桁架結(jié)構(gòu)是指由若干直桿在其兩端用鉸鏈連接而成的抗壓結(jié)構(gòu)，為了減輕自重去除中間不必要的荷載，滿足大跨度的需求，解決了實際工程中的一大難題。

桁架在建筑結(jié)構(gòu)中，主要承受軸向拉力或壓力，保證結(jié)構(gòu)不被破壞，對作用荷載起到了一定的分?jǐn)傋饔茫瑥亩梢酝耆l(fā)揮材料作用，在保證建設(shè)安全要求的前提下，減輕自重，操作難度降低，與傳統(tǒng)實腹梁相比，大大節(jié)省了材料，因此在大跨度承重結(jié)構(gòu)和高層建筑中應(yīng)用廣泛，如橋梁，水工閘門、輸送電線的路塔等等。常用的桁架材料有鋼桁架、木桁架、鋼與木組合桁架、鋼筋混凝土桁架以及桁架式鋼骨混凝土桁架等。按其形狀也可分為三角形、多邊形、梯形、空腹等。因此，在選用桁架結(jié)構(gòu)建造時，要充分考慮用途以及施工工藝，在滿足要求的條件下，選用最優(yōu)方案。

桁架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生于梁結(jié)構(gòu)，充分研究梁結(jié)構(gòu)截面可以發(fā)現(xiàn)，單跨簡支梁受力的截面正應(yīng)力主要存在于壓區(qū)和拉區(qū)截面上，中和軸處的應(yīng)力為零，遠(yuǎn)離中和軸越遠(yuǎn)，其應(yīng)力就越大。后來人們發(fā)現(xiàn)簡化截面構(gòu)造，做成工字型截面，不僅可以節(jié)省材料，并且構(gòu)件自重也大大減輕。進(jìn)而研究發(fā)現(xiàn)，若是將中間挖空，中間使用連桿連接，也可得到預(yù)先的效果，這就是所謂了“桁架”。桁架式利用構(gòu)件連桿的有效連接，大大節(jié)省了材料的使用，并且減小了施工難度，操作簡單，自重小，適應(yīng)條件廣，同時也可用于大跨度構(gòu)建，可操作性強(qiáng)。

4? 桁架式鋼骨混凝土的介紹和優(yōu)點

鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)，簡稱SRC結(jié)構(gòu)，是利用疊加組合原理，將混凝土和鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效組合，可有效提高結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，同時具有一定的延性，常見的結(jié)構(gòu)形式有H型、十字型、I型等。

鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)二者充分發(fā)揮其各自性能，混凝土保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)，預(yù)防了鋼結(jié)構(gòu)的銹蝕以及扭轉(zhuǎn)屈曲，使其強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，在耐久和耐火性能上，也突出其優(yōu)勢;在延性性能上也有了大大的提高，使得構(gòu)件截面在達(dá)到最大承載力或者達(dá)到屈服后，仍然能吸收一定的能量，彌補(bǔ)了混凝土脆性破壞的缺點;鋼結(jié)構(gòu)的加入，使得混凝土的韌性大大增加，承載強(qiáng)度上升，大跨度的梁柱不在需要支撐也能較好地完成施工作業(yè)，在一定程度上，節(jié)約材料，增加施工效率，使高效耐久性得到提高。

5? 抗震性能的分析

在框架中，節(jié)點是重要部位之一，是傳遞力的重要裝置，所以其承載能力的強(qiáng)弱對構(gòu)件至關(guān)重要，其安全程度直接關(guān)系到整個結(jié)構(gòu)，同時其受力情況及其復(fù)雜，也就是多方向多結(jié)構(gòu)的受力。研究發(fā)現(xiàn)，地震引起建筑物的破壞，最致命的就是節(jié)點的破壞。

節(jié)點是連接梁柱構(gòu)件并保證建筑物完好的重要部分，節(jié)點抗震性能的好壞直接影響構(gòu)件在多震地區(qū)的使用。因此，保證節(jié)點核心區(qū)滿足強(qiáng)度設(shè)計非常重要。通過查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，工程師們已經(jīng)提出了一種新型預(yù)制裝配式框架梁柱節(jié)點，使用梁柱分別焊接而成，并穿插焊接，形成一種新的組合結(jié)構(gòu)。

近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者都相繼展開研究，大多研究鋼一混凝土組合節(jié)點、鋼筋混凝土框架節(jié)點，但對新型桁架式鋼骨混凝土框架節(jié)點很少提到，也未開展深入的研究。框架節(jié)點是連接構(gòu)件梁和柱的關(guān)鍵部位，也是構(gòu)件承載能力大小的決定因素。因此，桁架式鋼骨混凝土框架節(jié)點已經(jīng)越來越引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，并且已經(jīng)通過實驗，完成節(jié)點的低周反復(fù)荷載，分析在地震作用下，其延性、滯回、耗能的參數(shù)大小，為桁架式鋼骨混凝土框架節(jié)點的應(yīng)用打下了堅實的基礎(chǔ)。通過對新型結(jié)構(gòu)體系的分析，提出恢復(fù)力模型能較好地反映試件的真實情況，可供桁架式鋼骨混凝土框架中節(jié)點及其結(jié)構(gòu)在進(jìn)行彈塑性地震反應(yīng)分析時參考。

6? 結(jié)論

隨著我國國民生活水平的不斷提高，人們對于建筑的需求也越來越大，傳統(tǒng)的施工工藝和方法難以滿足建筑工業(yè)化的要求。預(yù)制預(yù)應(yīng)力桁架式鋼骨混凝土框架是近幾年研究出的一種新型結(jié)構(gòu)體系，它在很大程度上促進(jìn)了建筑工業(yè)化這一進(jìn)程。通過對相關(guān)的理論和實驗研究，進(jìn)而完善裝配式建筑存在的相關(guān)問題;可以探究出框架體系的抗震性能，完善在多震地區(qū)的應(yīng)用;同時借助BIM技術(shù)和有限元分析方法，研究各個階段的應(yīng)力情況，通過參數(shù)對其進(jìn)行全面分析，這種方法可以有效的對實驗研究進(jìn)行完善和補(bǔ)充，確保施工過程中的安全可靠。

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