某大跨度空腹桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計分析和實踐

高志輝 吳立朋 崔 愷

(1.北方工程設(shè)計研究院有限公司，河北 石家莊 050011； 2.石家莊鐵道大學(xué)，河北 石家莊 050043)

1 工程背景

河北傳媒大學(xué)新聞學(xué)院教學(xué)樓，位于石家莊市欒城區(qū)。總建筑面積1.83萬m2，建筑造型似“微卷的報紙”，且有景觀河流從建筑中部穿過(效果見圖1)。建筑地上5層，局部地下1層?？紤]到建筑功能、結(jié)構(gòu)形式等因素，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用兩道永久結(jié)構(gòu)縫將建筑分為3個獨立的結(jié)構(gòu)單體，各結(jié)構(gòu)單元均為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。其中A區(qū)整體平面為“L”形框架，樓板局部大開洞，L形外伸中部因建筑造型和寬9 m、深2.5 m的河道通過，形成底部兩層架空，上面3層為跨度25 m的大跨度結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限50年，結(jié)構(gòu)安全等級為二級。建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，場地類別Ⅲ類。

2 結(jié)構(gòu)體系和選型

由于建筑功能為新聞播音、配音等專業(yè)教學(xué)，對聲學(xué)環(huán)境有特殊要求。經(jīng)過對鋼結(jié)構(gòu)、型鋼混凝土結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，以及桁架結(jié)構(gòu)、托梁結(jié)構(gòu)、懸掛結(jié)構(gòu)、空腹桁架結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)材料和形式的分析、比較[1]，綜合建筑聲學(xué)效果、維護難易、抗震性能和建筑造型等因素，最終采用型鋼混凝土空腹桁架結(jié)構(gòu)型式，桁架立面如圖2所示。型鋼主要加設(shè)在兩端支撐的混凝土框架柱、桁架弦梁和五個豎向腹桿中。桁架上、下弦梁結(jié)合建筑立面要求，梁高取為1 450 mm，其中頂層梁為保證立面造型上抬600 mm。主體結(jié)構(gòu)單元設(shè)計時，通過加強樓板整體性、合理布置柱網(wǎng)、選定合理設(shè)計參數(shù)保證主體結(jié)構(gòu)各項力學(xué)性能指標(biāo)滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

3 結(jié)構(gòu)計算分析和設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)計算分析

本工程的型鋼混凝土空腹桁架并非簡支于主體結(jié)構(gòu)兩端，而是與主體結(jié)構(gòu)各層整澆一起，相互作用并形成空間受力模式，其受力和破壞形態(tài)復(fù)雜，因此需要采用兩種力學(xué)模型的軟件對整體結(jié)構(gòu)進行分析，并按結(jié)果進行包絡(luò)設(shè)計[2]。本工程采用PKPM SATWE和MIDAS GEN兩種不同軟件進行空腹桁架在整體空間作用下的內(nèi)力。在SATWE整體模型中，須將桁架的上、下弦定義為轉(zhuǎn)換梁，將桁架上下弦所在樓層的板定義為彈性板，并且在計算桁架內(nèi)力時把桁架相關(guān)樓層的加載方式設(shè)置為同時加載，考慮與結(jié)構(gòu)豎向地震作用組合計算。同時利用GEN建立計算模型，并通過結(jié)構(gòu)總重量、柱底恒和活荷載、恒載單獨作用下的內(nèi)力比較來驗證兩個軟件計算模型輸入的正確性。兩種軟件計算的彎矩、剪力如圖3～圖6所示。

從以上計算結(jié)果可以看出:

1)三層樓的總重量產(chǎn)生的效應(yīng)按照桁架上弦、下弦、中間橫腹桿的剛度進行了重新分配，并且主要由截面和剛度較大的桁架上、下弦來承擔(dān)?？崭硅旒芙Y(jié)構(gòu)按兩種模型計算得到的關(guān)鍵部位內(nèi)力比較見表1。兩者計算結(jié)果存在一定差異，SATWE計算結(jié)果大部分情況下高于GEN，但兩者上、下弦桿的總彎矩((M左支座彎矩+M右支座彎矩)/2+M跨中)基本相等，約為18 000 kN·m；總剪力值相近，差額部分主要是因為中間腹桿的分擔(dān)?？紤]到計算軟件對型鋼混凝土構(gòu)件剛度模擬假定的近似性，設(shè)計時仍按兩者較大值進行包絡(luò)設(shè)計。

表1 不同模型時空腹桁架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位內(nèi)力比較

2)桁架豎向腹桿的計算內(nèi)力很小，4層和5層處于受壓狀態(tài)，3層處于受拉狀態(tài)。豎腹桿是上、下弦形成整體工作和可靠傳力的關(guān)鍵，因此設(shè)計時雖然其所受力較小，但仍采用型鋼與上、下弦中的型鋼焊接在一起，并且其中的鋼筋全長按受拉鋼筋要求進行機械連接或焊接，并在節(jié)點區(qū)可靠錨固。

3)橫向腹桿僅在支座附近剪力有較大增加。設(shè)計時取消了中間橫向腹桿中的型鋼，優(yōu)化了設(shè)計并大大簡化了節(jié)點。

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于上述兩者的模型及計算中，未考慮桿件軸向變形和剛度的影響。而實際上桁架上、下弦桿由于桁架的整體作用還存在一定的拉壓力，因此其內(nèi)力由兩部分組成：未考慮軸向變形的彎剪受力狀態(tài)和桁架整體形成的軸向拉壓力[3]。為便于設(shè)計，可按下列方法近似估計上、下弦中的拉壓力：桁架上下弦中的拉壓力=桁架總彎矩/桁架高度。按此比值與彎矩產(chǎn)生的截面正應(yīng)力比例，將內(nèi)力放大后按拉彎構(gòu)件進行設(shè)計。

根據(jù)有限元計算分析結(jié)果，合理確定型鋼的布置范圍。由于型鋼混凝土桁架的上、下弦桿、中間層橫向腹桿并非簡支在兩邊框架上，而是與鄰接混凝土框架整澆在一起，因此鄰跨的內(nèi)力很大。本工程對桁架上、下弦中的型鋼按負(fù)彎矩范圍向兩邊外延，且不伸入鄰跨框架柱節(jié)點，以避免鋼筋穿插過密；同時在型鋼截斷處加強箍筋，以保證可靠傳力；與大跨度結(jié)構(gòu)相連的框架梁按拉彎構(gòu)件進行設(shè)計?？蚣苻D(zhuǎn)換柱和豎向腹桿中內(nèi)置型鋼[4]。

對支承空腹桁架的框架轉(zhuǎn)換柱、桁架上下弦和豎向腹桿，按照性能設(shè)計的原則，進行設(shè)防烈度下彈性設(shè)計復(fù)核加強，抗震措施提高一級。對空腹桁架各層平面外梁板進行了加強。

此外，為簡化型鋼節(jié)點，保證施工質(zhì)量，同時提高節(jié)點延性和安全性，設(shè)計采取了以下措施：1)套筒連接和節(jié)點板連接組合使用。套筒連接質(zhì)量可靠，但施工麻煩；節(jié)點板連接質(zhì)量受焊工水平影響，但施工簡便。本工程中框架柱筋連接全部采用套筒，框架梁筋連接采用套筒或節(jié)點板。采用節(jié)點板時注意控制鋼筋直徑，以減小節(jié)點板的尺寸，避免影響柱筋。柱筋采用大直徑，減小根數(shù)，當(dāng)多根柱筋落在節(jié)點處的型鋼梁上，在該處加加勁肋，并核對加勁肋是否阻擋梁箍筋。2)采用窄厚翼緣的型鋼，并取消了腹板的加勁肋，有利縱筋和箍筋穿插。翼緣寬度宜取1.8倍柱筋最大間距為宜，這樣柱筋只有正中一根對準(zhǔn)梁中心，且梁不用設(shè)加勁肋。3)對型鋼腹板開圓孔穿拉鉤，有利于混凝土的澆筑和密實，有利于混凝土和型鋼形成整體受力，對腹板削弱可通過加厚腹板實現(xiàn)。4)在設(shè)計時取消了型鋼柱間的加勁肋板，但同時對型鋼柱外圍箍筋加大加密，在等同效果下，大大提高了混凝土澆筑質(zhì)量。5)型鋼混凝土澆筑時采用小粒徑(限制為22 mm)的自密實混凝土。

3.3 施工過程的影響

由于本工程的“空腹桁架”雖然“嵌入”在多層混凝土框架結(jié)構(gòu)中，但是其本身仍是一個完整的受力體系，必須在其形成整體后方可進行加載，并且不同的施工加載過程對空腹桁架的內(nèi)力影響不可忽略。由于軟件可施工模擬計算假定和計算過程并不完全與實際一致，并且計算結(jié)果也存在較大不確定性。本工程通過桁架形成整體后一次性加載的方式來保證與計算假定一致。

施工時具體采用以下控制措施：1)首先在形成受力體系前，整個桁架的重量要通過腳手架或臨時支撐將荷載傳遞至地基上，底層模板和腳手架的設(shè)計要能承受上面3層的重量，扣除后期施加的建筑面層荷載、活荷載和填充墻荷載，實際加載量只占所有荷載的25%；2)待桁架上弦達(dá)到設(shè)計強度后才可以整體拆模，拆模時為減小整個空腹桁架的變形，由上到下逐層拆除；同時為減小突然加載對周邊已形成結(jié)構(gòu)的影響，逐層拆除時控制拆除的節(jié)奏；3)在實施建造過程中，由于大跨度型鋼混凝土構(gòu)件的型鋼和鋼筋籠起拱比較困難，把下弦梁底腹桿對應(yīng)的腳手架支撐按變形控制的理念進行加強，不再施工起拱。

4 結(jié)論

目前工程已竣工使用，通過本工程的設(shè)計實踐可得如下結(jié)論：1)與兩側(cè)主體連為一體的空腹桁架的受力形態(tài)，與普通桁架比有很大差別，表現(xiàn)為連續(xù)疊合梁的受力特征，上、下弦桿在變形協(xié)調(diào)條件下的組合受力。桿件力學(xué)狀態(tài)復(fù)雜，計算需要注意桿件軸向剛度和變形影響。2)豎向腹桿是結(jié)構(gòu)體系正常工作的保證，其處于拉、壓彎剪綜合受力狀態(tài)；橫向腹桿的作用很小。3)合理的設(shè)置型鋼有效的提高了空腹桁架整體結(jié)構(gòu)和節(jié)點的延性，減小了構(gòu)件截面尺寸和自重，尤其是豎腹桿中的型鋼。4)對多層框架中嵌入的大跨度空腹桁架結(jié)構(gòu)，通過控制施工加載和拆模過程可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)形成并明確受力，施工方便，綜合效益明顯。