鋼管—混凝土組合桁架結構的靜力分析

賈航 黃勇 謝欽

(貴州大學土木建筑工程學院，貴州貴陽 550025)

0 引言

鋼管—混凝土桁架組合結構是由鋼管與混凝土組成的一種結構。學者對組合桁架結構的研究已有很多，如文獻[1］指出，正常使用情況下，鋼—混凝土組合桁架的工作特征表現為彈性性能，繼續加載至極限荷載95%時，試件由于斜腹桿的屈曲而破壞，組合桁架的截面突變仍然基本上符合平截面假設。文獻[2］提出，普通桁架桿件之間假定為鉸接，忽略節點剛度的影響，不計次應力對桿件內力所引起的變化，另外，模型試驗和工程實踐都已表明，鉸接是完全許可的。

鋼—混凝土組合桁架方面的研究已趨于完善。但是鋼—混凝土組合結構一般適用于橋梁和重型屋面結構，而不適用于輕型屋面結構。針對輕型屋面，本文提出用鋼管代替下弦及腹桿處的型鋼，并且去掉桁架的上弦桿，而用混凝土板直接來做上弦。本文主要就是對這種改進的組合桁架運用ANSYS建立模型，對其進行靜力分析，為其工程應用和理論分析提供依據。

1 鋼管—混凝土組合桁架的構造和特點

1.1 鋼管—混凝土組合桁架的構造

鋼管—混凝土組合桁架上弦沒有采用鋼管，而是用混凝土板取代上弦桿來承擔壓力，混凝土板與腹桿的連接是通過鋼墊板來傳遞的，鋼墊板與腹桿焊接，混凝土板與鋼墊板之間通過抗剪連接件連接。鋼管—混凝土組合桁架上弦節點構造示意圖如圖1所示。

圖1 鋼管—混凝土組合桁架上弦節點構造示意圖

1.2 鋼管—混凝土組合桁架的特點

鋼管—混凝土組合桁架結構用混凝土板代替彩鋼板或玻璃等作為圍護結構，同時混凝土板代替上弦桿而受壓。這樣混凝土不僅可以取代上弦桿充分地發揮其抗壓強度，還可以取代大量的面外支撐桿，并且對桁架起到面外支撐的作用。

這種結構將充分發揮鋼材受拉和混凝土受壓的有利條件，使兩種不同材料充分發揮各自強度優勢;同時由于上弦的混凝土參與工作，所以結構的抗彎剛度會大大的提高，抗震性能也會有所提高。

2 算例設計與分析方法

2.1 算例設計

本文以某場館為例進行分析，建筑平面為矩形，尺寸為20 m×24 m，柱網為8 m×20 m，桁架間距為2.0 m，桁架與邊梁鉸接處理。桁架部分全部采用方鋼管，其中桁架的下弦桿采用截面尺寸為100 mm×100 mm、壁厚為8 mm的方形鋼管，腹桿采用截面尺寸為80 mm×80 mm、壁厚為8 mm的方形鋼管?；炷涟逡戆宓膶挾雀鶕墨I[6］中組合梁翼緣寬度的取法取為2 m，板厚根據文獻[3］取為80 mm，桁架高度根據文獻[3］取為1.4 m。一榀桁架立面圖如圖2所示。

圖2 鋼管—混凝土組合桁架一榀桁架立面示意圖

2.2 分析方法

建立有限元模型，采用桿單元來模擬桁架下弦桿和腹桿。對于混凝土板，由于其縱向和橫向的尺寸都遠大于豎向尺寸，故采用板單元模擬。應用ANSYS建立有限元模型，采用Link8單元模擬桁架的下弦桿和腹桿，采用Shell63單元模擬混凝土板。

本文僅選取一榀桁架進行分析?；炷翉姸鹊燃壢镃30，彈性模量取3.0，泊松比取0.2。鋼管采用Q235級鋼，彈性模量取2.06，泊松比取0.3。桁架兩端鉸接，混凝土板與腹桿通過合并節點來自動耦合，板的兩側邊采用對稱約束。建模時不考慮結構材料自重，而是把自重換算為恒載直接加在結構上。網格劃分時，桁架部分各桿件自身作為一個單元，混凝土部分劃為正方形單元，尺寸大小為0.5 m×0.5 m，有限元模型如圖3所示。

圖3 鋼管—混凝土組合桁架有限元模型

3 主要分析結果

3.1 組合桁架軸力分析

本文分別對20 m跨度的組合桁架和普通鋼管桁架進行分析，除桁架上弦外，保證普通鋼管桁架的所有參數與組合桁架中的鋼桁架部分完全一致，普通桁架上弦桿采用與下弦相同的鋼管，僅將荷載施加在桁架的節點上。組合桁架腹桿內力計算結果如圖4所示。

圖4 鋼管—混凝土組合桁架腹桿軸力圖

由圖4可知組合桁架各斜腹桿的內力分布為兩邊大，中間小，中間腹桿軸力幾乎為零，這和普通簡支實腹梁的剪力分布相類似(支座處最大，跨中最小)，這表明組合桁架的受力模型是合理的。

桁架下弦共10根桿，依次劃分為10個單元，由于結構對稱，表1中只給出下弦桿左半跨的五個單元的軸力。

表1 兩種桁架下弦桿軸力對比 N

由表1可知，鋼管—混凝土組合桁架與普通鋼管桁架的受力性能基本一致，但是前者軸力相對較小，下弦跨中軸力最大，為392 370，支座處最小，為119 512;而普通鋼管桁架下弦桿軸力跨中為446 610，支座處為160 780，并且鋼管—混凝土桁架較普通桁架內力均有所降低，跨中軸力降幅達12.14%。從經濟和施工方面來講，內力小就可以降低材料用量，從而節省造價;而在材料一定的情況下，鋼管—混凝土組合結構的承載力將會有較大提高，由此表明鋼管—混凝土組合桁架結構體系較普通桁架更具有優越性。

3.2 組合桁架位移分析

表2給出了兩者下弦左半跨各節點的撓度值及對比，由表可知，在相同荷載作用下，組合桁架跨中撓度為28.98 mm，而普通鋼管桁架的跨中撓度達40.42 mm，兩者撓度均滿足相關規范的撓度限值(l/400)。但是鋼管—混凝土組合桁架與普通桁架相比下弦各節點撓度均有所減小，最大降幅達30.24%，可見，用混凝土板來代替上弦桿之后，結構的撓度大大減小，抗彎剛度明顯提高，材料和截面高度一定的情況下，適用的跨度更大;而跨度一定的情況下，可以用較小的截面高度就能滿足規范要求。

表2 兩種桁架撓度對比 mm

3.3 組合桁架混凝土板的內力分析

由圖5可知，混凝土板X方向應力值大部分處于－1.57 N～－7.2 N之間，基本處于受壓狀態，與普通鋼管桁架上弦桿受力性質相似。同時由圖5還可以看出，混凝土板與腹桿接觸的地方會出現比較大的應力集中現象，應力比較復雜，局部可能會處于受拉狀態。當應用于實踐時，還需要做進一步的深入研究。

圖5 組合桁架上弦混凝土板內力云圖

4 結語

本文主要是提出在普通鋼管桁架的基礎上改進而得來的一種新型組合桁架，即用混凝土板取代普通鋼管桁架的上弦桿。從以上的分析可知，這種組合桁架符合普通鋼管桁架的受力性能，即下弦受拉，上弦混凝土板取代上弦而受壓，充分發揮了混凝土的抗壓強度和鋼材的抗拉強度。另外，混凝土板可以改善下弦桿的受力性能，從而可以使結構受力更合理;由撓度分析可知，鋼管—混凝土組合桁架結構的跨中撓度較普通桁架的撓度降低28.3%，表明其抗彎剛度有較大提高。此外，本文還提出了腹桿與混凝土板的節點構造和相關處理。但要應用于工程實踐還需要對其動力特性進行更為深入研究。

[1]R.Bjorhovde.Full scale test of a composite truss.Structural Engineering Report 97，Department of Civil Engineering，University of Alberta，1980.

[2]張毅剛，薛素鐸，楊慶山，等.大跨度空間結構[M］.北京:機械工業出版社，2008.

[3]GB 50010-2010，混凝土結構設計規范[S］.

[4]GB 50017-2003，鋼結構設計規范[S］.

[5]張 磊.輕鋼框―桁架組合結構的研究及在加層建筑中的應用[D］.貴陽:貴州大學碩士學位論文，2011.

[6]聶建國，劉 明，葉列平.鋼—混凝土組合結構[M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

[7]楊 洋.鋼—混凝土組合梁單調靜力性能有限元分析[J］.山西建筑，2011，37(23):67-68.