不同構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造形式的伸臂桁架模型進行非線性靜力分析，優選出具有良好性能的伸臂桁架構造方案。研究結果表明，伸臂桁架采用人字形、V字形和跨層K字形構造時，其抗側效率較高，工作性能較好。

關鍵詞：伸臂桁架；非線性靜力分析；力學性能；工作效率

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

引言

當框架一核心筒結構在水平荷載作用下的側向變形過大時，常在設備層或避難層中設置加強層，提高結構的整體抗側剛度，如上海環球金融中心等。但加強層的設置會使結構的抗側剛度和內力產生突變，容易形成薄弱層。為此，工程中常采用“有限剛度”的伸臂桁架加強層，既能適當彌補結構整體剛度的不足，又能盡量減小結構的內力突變。

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

1伸臂桁架不同構造方案的性能對比

1.1伸臂桁架的形式

統計相關工程案例，常見的加強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造伸臂桁架進行建模分析，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，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不同構造方案的性能對比各構造方案的豎向承載力與豎向位移曲線如圖3所示，相應的性能對比結果見表1，其中材料用量僅考慮受力結構構件的用量。

由圖3和表1可知：（1）采用單斜桿形構造，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雜和構造措施較多；其他七種構造形式，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字形構造時，其抗側效率較高，工作性能較好。

2結論

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行非線性靜力分析研究，主要結論如下：

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

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