某鋼桁架轉換層結構的受力分析與現場實測

陳飛 王舒緹

大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司，遼寧 大連 116023

某鋼桁架轉換層結構的受力分析與現場實測

陳飛 王舒緹

大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司，遼寧 大連 116023

基于數值分析和現場實測進行了某鋼桁架轉換層結構的承載能力研究。數值分析模型中，分別采用桿單元、梁單元和纖維單元模型計算了結構的荷載—位移關系，結果表明，桿單元與梁單元計算結果基本一致。通過計算結果與現場實測撓度值的對比，認為該鋼桁架有足夠的承載能力安全儲備。

鋼桁架轉換層；承載能力；數值分析；現場實測

Steel truss transfer story; load carrying capacity; numerical analysis; field measurement

大跨度鋼桁架-混凝土組合結構在我國許多大型工程中獲得了應用[1-2]。而目前許多工程單位對這種新型結構的受力機理認識尚不清晰，加之近年來全球大震頻發對工程結構造成的嚴重震害，引起了人們對新型結構形式承載能力的關注[3]。本文針對某12層框架—剪力墻結構中的一鋼桁架轉換層，分別采用數值分析和現場實測的方式，對其承載能力進行了研究。

1. 工程概況

某框架—剪力墻結構，地上12層，地下2層。在其主樓右側2～3層采用了鋼桁架轉換層，如圖1所示。轉換層上部9層為鋼筋混凝土框架—剪力墻結構。轉換鋼桁架采用Q345鋼材，為工廠加工預制，并運輸至施工現場安裝。鋼桁架梁柱均為箱形截面，且位于1～6軸上的鋼箱內填C50自密實混凝土。除斜向鋼支撐外，其余部分均在鋼箱外側包150～250mm厚度C50混凝土，并配置一定量的縱向和橫向鋼筋。

由于鋼桁架層最大跨度已達18m，且上部有9層鋼筋混凝土結構，為充分保證桁架層的受力安全，對桁架層的受力特性進行了分析，并在施工過程中對桁架層的變形進行監控、校核。

圖1 某鋼桁架轉換層示意圖

2 鋼桁架承載力的模擬分析

考慮最為危險的情況，將桁架簡化為圖2所示的簡支體系。

圖2 18m跨度桁架計算采用的力學模型

顯然，當僅考慮軸力F作用時，桿件ac、cd、ef、gh、gj均為零桿。則模型可簡化為圖2(b)所示。根據設計單位提供的荷載，上部9層結構每層自重約1500kN，9層結構引起的F最大為13500kN。

假設軸力F為20000kN，則可計算出各桿件內力分別為：

Nab=Nij=-10000kN；Nbd=Nde=Neh=Nhi=-10660kN；Ncf=Nfg=21330kN；Nce=Neg=-14620kN；

Nbc=Ngi=14620kN

考慮各桿件內力，不考慮混凝土的作用，僅考慮鋼架的受力，則各桿件應力為：

fbd=fde=feh=fhi=-1 5 6 M P a；fcf=ffg=312MPa；fce=feg=-234MPa；fbc=fgi=234MPa

可以看出，鋼桁架的最大承載力約在20000kN左右，遠大于設計單位提供的荷載值。

為進行鋼桁架受力全過程的分析，分別采用Link8桿單元，Beam188梁單元和纖維單元模型建立了桁架的分析模型，并進行了受力全過程的分析，Link8桿單元和Beam188梁單元模型采用大型通用有限元軟件ANSYS[4]，纖維單元模型采用ZeusNL軟件計算[5]。Beam188單元和纖維單元的計算模型如圖3所示。各模型計算的桁架跨中荷載F-位移Δ曲線及對比如圖4所示。需要說明，Link8單元和Beam188單元模型中均未考慮鋼桁架內填和外包混凝土的影響，纖維單元模型則考慮了桁架中混凝土的影響。

圖3 鋼桁架數值計算模型

圖4 不同計算模型計算的荷載—位移曲線

盡管Link8單元和Beam188單元的有限元模型存在很大的差別，如Link8單元的僅考慮桿件的拉壓、且節點為鉸接，而Beam188梁單元考慮了彎曲，且節點為剛接。但從圖4可以發現，兩者計算的桁架梁荷載—位移曲線幾乎是一致的，這說明，對桁架結構采用桿單元計算其承載能力時，可取得與梁單元接近的計算精度。

纖維單元模型與前兩者計算結果存在一定的差距，表現在纖維模型計算的剛度偏大，承載力略高等，但應當注意到造成這種差別的主要原因是由于纖維模型中考慮了鋼桁架內填和外包鋼筋混凝土的影響。

值得注意的是，無論哪種計算模型計算的鋼桁架屈服時的承載力都在20000kN以上，遠大于上部9層結構的自重，由此可以得出結論，鋼桁架具有很高的安全儲備。

3 鋼桁架的現場實測

施工過程中采用高精度水準儀和全站儀量測了鋼桁架跨中的撓度情況，假定上部每層自重為1500kN，根據各模型計算的跨中位移值與實測結果進行了對比，如表1所示。

可以看出，實測跨中撓度值遠小于各模型計算值，這主要是由于各計算模型為結構的最保守估計，采用的是如圖2所示的模式，邊界約束條件較實際結構明顯偏弱，實際鋼桁架受左右兩側鋼筋混凝土結構的約束，剛度明顯偏大，實際承載能力更強。另外值得注意的是，每層施工完畢后實測跨中撓度基本呈線性變化，這也從側面反映出結構此時仍處于線性狀態，遠未達到屈服。

表1 結構實測跨中撓度及與計算模型的對比

4 結語

為研究某鋼桁架轉換層的承載力，首先采用數值分析手段計算了結構受力全過程的荷載—位移曲線，并通過與現場實測撓度結果進行對比，主要結論為：

1) 對鋼桁架結構，采用桿單元和梁單元模型可以取得一致的計算精度；

2) 上部9層結構施工完畢后，該結構仍處于彈性狀態，具有很高的承載力安全儲備。

[1] 傅學怡.帶轉換層高層建筑結構設計建議[J].建筑結構學報,1999,20(2):28-42.

[2] 徐政輝.某高層建筑中轉換層的結構設計與施工[J].山西建筑,2012,38(8):46-48.

[3] 孫治國,王東升,李宏男,等.汶川地震鋼筋混凝土框架震害及震后修復建議[J].自然災害學報,2010,19(4):114-123.

[4]司炳君,孫治國,艾慶華.Solid65單元在混凝土結構有限元分析中的應用[J].工業建筑,2007,37(1):87-92.

[5] 孫治國,郭 迅,王東升,等.鋼筋混凝土空心墩延性變形能力分析[J].鐵道學報,2012,34(1):91-96.

Analysis and field measurement of the load carrying capacity of one steel truss transfer story

Fei Chen Shuti Wang
The design institute of civil engineering & architecture of DUT, Dalian, 116024

Based on numerical analysis and field measurement, the load carrying capacity of one steel truss transfer story was studied. In the analysis model, link, beam and fiber element were used to calculate the load-displacement relationship of the steel truss transfer story, and it is found that load carrying capacity obtained by the link and beam element were almost the same. By comparing the field measured displacement and analysis results, it can be concluded that the steel truss transfer story is safe enough.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.037

陳飛，男，1982年1月出生，工程師，大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司結構所;

王舒緹，女，1984年10月出生，助理工程師，大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司結構所。