桁架式鋼骨混凝土框架承載性能分析

杜祥帥　沈爍宇　吳梅梅　曹磊　李悅　郭浩強

摘? ? 要：伴隨著20世紀80年代我國應用鋼骨混凝土以來，解決了我國建筑行業的一大難題，已經應用到越來越多的工程中，同時通過前人的不斷努力研究創新發現，新型預應力桁架式的使用會使得結構效果更好。本文主要通過對桁架式鋼骨混凝土框架分析，研究其產生的原因、意義以及其帶來的優點，同時闡述其對建筑物抗震性能的積極影響，以及構件的破壞形態、滯回性、延性、耗能及剛度退化等。

關鍵詞：新型預應力;桁架式;分析;抗震

1? 研究背景

隨著時代的發展，社會的進步，如今我們可以隨處看到高層建筑，甚至是超高層建筑，這都代表著我國建筑行業的迅猛發展，這都是前學者的理論研究和工人的技術實踐相結合產生的。在一些多震地區，高層建筑的底部柱子承載了極大地豎向荷載和水平荷載，這就要就柱要有突出的性能，應具有非常好的延性和抗倒塌性;同時大跨度的建筑也越來越多，傳統的結構施工工藝無法滿足大跨度構件力的承載，導致項目的可行性大大降低。桁架式鋼骨混凝土正是在這樣的背景下應運而生的。

鋼骨混凝土的開始要追溯到上個世紀初的歐洲，到了中期，越來越多的國家進行了系統的理論研究。日本是一個地震多發的國家，日本使用鋼骨混凝土建成了一個30米高的興業銀行，在1923年的關東大地震中，達到了7.9級，造成了嚴重的人員和財產損失，但是興業銀行卻沒有太大的損害，這一現象引起的日本工程界的關注。之后，經過不斷地完善和探索，于1987年形成了較為完成的疊加方法，并在建筑領域得到了廣泛的應用。據統計，在二十世紀八十年代里，日本六層以上的建筑，鋼骨混凝土結構占到了房屋總數的45%，甚至在更高層的建筑中，鋼骨混凝土結構比例占到了80%。

在這方面我國起步較晚，但隨著近十年的發展和應用，越來越多的鋼骨混凝土構件應用于我國高層建筑，如109米的大連森茂大廈、高達522米的北京國貿大廈等等。

2? 研究的意義

近年來，我國的基礎建設規模在不斷增多，建筑產業工業化的需求越來越迫切，其相關的理論和工藝也在不斷創新。與建筑工業化密不可分的就是裝配式建筑的提出，這也是當今研究的主流方向之一。預制拼裝結構體系解決了傳統施工周期長的缺點，對建筑產業工業化有著決定性的作用。在裝配式構建中，無疑鋼結構是最適宜的，但是其防腐耐火性能卻不能達到基礎標準，因此，新型預制桁架式鋼骨混凝土的產生，再利用少量的是作業澆筑混凝土形成建筑整體構建，就可以滿足建筑產業化遇到的相關問題。此外，在一些大跨度或者需要承載能力極強的構建要求中，在生產前，可適當的添加預應力，增大結構的承載能力。在橋梁、工業廠房中應用極廣。

在結構構造中，以角鋼作為桁架式鋼骨混凝土構件的鋼骨架，主要具有以下特點：（1）節約鋼材，桁架式的應用在保證受力要求的前提下，有效的節約鋼材;（2）減少構件的自重，在施工時，操作相對方便，同時可在工廠預制加工完成，縮短了工期，節省人力;（3）梁柱節點核心區采用貫穿組合的方式，解決了傳統交叉穿筋的難度，減少了施工難度;（4）可預制提前完成，任意拼接，可調性強，適用性廣。

3? 桁架結構的研究

桁架結構是指由若干直桿在其兩端用鉸鏈連接而成的抗壓結構，為了減輕自重去除中間不必要的荷載，滿足大跨度的需求，解決了實際工程中的一大難題。

桁架在建筑結構中，主要承受軸向拉力或壓力，保證結構不被破壞，對作用荷載起到了一定的分攤作用，從而可以完全發揮材料作用，在保證建設安全要求的前提下，減輕自重，操作難度降低，與傳統實腹梁相比，大大節省了材料，因此在大跨度承重結構和高層建筑中應用廣泛，如橋梁，水工閘門、輸送電線的路塔等等。常用的桁架材料有鋼桁架、木桁架、鋼與木組合桁架、鋼筋混凝土桁架以及桁架式鋼骨混凝土桁架等。按其形狀也可分為三角形、多邊形、梯形、空腹等。因此，在選用桁架結構建造時，要充分考慮用途以及施工工藝，在滿足要求的條件下，選用最優方案。

桁架結構產生于梁結構，充分研究梁結構截面可以發現，單跨簡支梁受力的截面正應力主要存在于壓區和拉區截面上，中和軸處的應力為零，遠離中和軸越遠，其應力就越大。后來人們發現簡化截面構造，做成工字型截面，不僅可以節省材料，并且構件自重也大大減輕。進而研究發現，若是將中間挖空，中間使用連桿連接，也可得到預先的效果，這就是所謂了“桁架”。桁架式利用構件連桿的有效連接，大大節省了材料的使用，并且減小了施工難度，操作簡單，自重小，適應條件廣，同時也可用于大跨度構建，可操作性強。

4? 桁架式鋼骨混凝土的介紹和優點

鋼骨混凝土結構，簡稱SRC結構，是利用疊加組合原理，將混凝土和鋼結構進行有效組合，可有效提高結構的強度和剛度，同時具有一定的延性，常見的結構形式有H型、十字型、I型等。

鋼結構和混凝土結構二者充分發揮其各自性能，混凝土保護鋼結構，預防了鋼結構的銹蝕以及扭轉屈曲，使其強度得到充分發揮，在耐久和耐火性能上，也突出其優勢;在延性性能上也有了大大的提高，使得構件截面在達到最大承載力或者達到屈服后，仍然能吸收一定的能量，彌補了混凝土脆性破壞的缺點;鋼結構的加入，使得混凝土的韌性大大增加，承載強度上升，大跨度的梁柱不在需要支撐也能較好地完成施工作業，在一定程度上，節約材料，增加施工效率，使高效耐久性得到提高。

5? 抗震性能的分析

在框架中，節點是重要部位之一，是傳遞力的重要裝置，所以其承載能力的強弱對構件至關重要，其安全程度直接關系到整個結構，同時其受力情況及其復雜，也就是多方向多結構的受力。研究發現，地震引起建筑物的破壞，最致命的就是節點的破壞。

節點是連接梁柱構件并保證建筑物完好的重要部分，節點抗震性能的好壞直接影響構件在多震地區的使用。因此，保證節點核心區滿足強度設計非常重要。通過查閱相關資料發現，工程師們已經提出了一種新型預制裝配式框架梁柱節點，使用梁柱分別焊接而成，并穿插焊接，形成一種新的組合結構。

近年來，國內外很多學者都相繼展開研究，大多研究鋼一混凝土組合節點、鋼筋混凝土框架節點，但對新型桁架式鋼骨混凝土框架節點很少提到，也未開展深入的研究?？蚣芄濣c是連接構件梁和柱的關鍵部位，也是構件承載能力大小的決定因素。因此，桁架式鋼骨混凝土框架節點已經越來越引起國內外學者的關注，并且已經通過實驗，完成節點的低周反復荷載，分析在地震作用下，其延性、滯回、耗能的參數大小，為桁架式鋼骨混凝土框架節點的應用打下了堅實的基礎。通過對新型結構體系的分析，提出恢復力模型能較好地反映試件的真實情況，可供桁架式鋼骨混凝土框架中節點及其結構在進行彈塑性地震反應分析時參考。

6? 結論

隨著我國國民生活水平的不斷提高，人們對于建筑的需求也越來越大，傳統的施工工藝和方法難以滿足建筑工業化的要求。預制預應力桁架式鋼骨混凝土框架是近幾年研究出的一種新型結構體系，它在很大程度上促進了建筑工業化這一進程。通過對相關的理論和實驗研究，進而完善裝配式建筑存在的相關問題;可以探究出框架體系的抗震性能，完善在多震地區的應用;同時借助BIM技術和有限元分析方法，研究各個階段的應力情況，通過參數對其進行全面分析，這種方法可以有效的對實驗研究進行完善和補充，確保施工過程中的安全可靠。

參考文獻：

[1] 趙鴻鐵.鋼與混凝土組合結構[M].北京：科學出版社.2001.

[2] 楊華.談談鋼骨混凝土結構的特點[J].有色金屬設計.2004（2）：21.23.

[3] 趙鴻鐵.組合結構設計原理[M].北京：高等教育出版社，2005（11）.