不同構(gòu)造形式的伸臂桁架性能對比分析

林紹明

摘要：采用SAP2000有限元軟件對九種不同構(gòu)造形式的伸臂桁架模型進(jìn)行非線性靜力分析，優(yōu)選出具有良好性能的伸臂桁架構(gòu)造方案。研究結(jié)果表明，伸臂桁架采用人字形、V字形和跨層K字形構(gòu)造時，其抗側(cè)效率較高，工作性能較好。

關(guān)鍵詞：伸臂桁架；非線性靜力分析；力學(xué)性能；工作效率

中圖分類號：TU355 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-3024（2016）14-112-02

引言

當(dāng)框架一核心筒結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下的側(cè)向變形過大時，常在設(shè)備層或避難層中設(shè)置加強(qiáng)層，提高結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度，如上海環(huán)球金融中心等。但加強(qiáng)層的設(shè)置會使結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度和內(nèi)力產(chǎn)生突變，容易形成薄弱層。為此，工程中常采用“有限剛度”的伸臂桁架加強(qiáng)層，既能適當(dāng)彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)整體剛度的不足，又能盡量減小結(jié)構(gòu)的內(nèi)力突變。

鑒于斜腹桿布置方式對伸臂桁架的力學(xué)性能具有較大的影響，本文通過對不同構(gòu)造形式的伸臂桁架模型進(jìn)行非線性靜力分析，優(yōu)選出具有良好性能的伸臂桁架構(gòu)造方案。

1伸臂桁架不同構(gòu)造方案的性能對比

1.1伸臂桁架的形式

統(tǒng)計相關(guān)工程案例，常見的加強(qiáng)層伸臂桁架的形式如圖1（只列出其必要的受力桿件）所示：（1）單斜桿形；（2）人字形；（3）V字形；（4）三折線形；（5）兩跨人字形；（6）兩跨V字形；（7）單層X形；（8）跨層X形；（9）跨層K字形。

1.2有限元分析模型

采用SAP2000有限元軟件對以上九種不同構(gòu)造伸臂桁架進(jìn)行建模分析，加載示意圖如圖2所示。SAP2000模型中不考慮伸臂桁架的屈曲失穩(wěn)，斜腹桿中部賦予軸力鉸，模擬其軸向受力性能；弦桿端部賦予軸力彎矩鉸，中部賦予軸力鉸，模擬其彎曲和軸向受力性能。

1.3不同構(gòu)造方案的性能對比各構(gòu)造方案的豎向承載力與豎向位移曲線如圖3所示，相應(yīng)的性能對比結(jié)果見表1，其中材料用量僅考慮受力結(jié)構(gòu)構(gòu)件的用量。

由圖3和表1可知：（1）采用單斜桿形構(gòu)造，其彈性剛度和極限承載力最小，材料用量最少，延性最好；（2）采用跨層X形構(gòu)造，其彈性剛度和極限承載力最大，材料用量最多，延性適中；（3）采用K字形構(gòu)造，其彈性剛度第二大，材料用量第二少，延性較好，但極限承載力不高；（4）采用單層x形構(gòu)造，其極限承載力和材料用量第二高，彈性剛度適中，延性較差；（5）采用三折線、兩跨人字形和兩跨V字形構(gòu)造，其彈性剛度、極限承載力、材料用量均適中，延性較差；（6）采用人字形和V字形構(gòu)造，其彈性剛度適中，極限承載力不高，材料用量較少，延性較好。

從施工的角度對比可知，單層X形和跨層X形構(gòu)造要求斜腹桿軸線處于同一立面，斜腹桿交叉連接處的施工復(fù)雜和構(gòu)造措施較多；其他七種構(gòu)造形式，施工相對較簡單。

綜上可知，伸臂桁架采用人字形、V字形和跨層K字形構(gòu)造時，其抗側(cè)效率較高，工作性能較好。

2結(jié)論

本文采用SAP2000有限元軟件對九種不同形式的伸臂桁架模型進(jìn)行非線性靜力分析研究，主要結(jié)論如下：

（1）工程案例常見的伸臂桁架形式中，通過調(diào)整桁架斜腹桿的布置方式及設(shè)計參數(shù)，可以有效控制伸臂桁架加強(qiáng)層的力學(xué)性能；

（2）伸臂桁架采用人字形、V字形和跨層K字形構(gòu)造時，其抗側(cè)效率較高，工作性能較好。