某托柱轉換的型鋼混凝土桁架研究

陳 飛

大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司，遼寧 大連 116024

隨著建筑需求的急劇增加與結構計算的長足發展，大跨度鋼桁架、型鋼混凝土桁架在復雜高層結構中的應用越來越廣泛[1-2]。由于各參建單位技術水平不一，對大跨度結構的重視性不足，出現了一些工程事故[3]。為此，文章對某框剪結構局部托柱轉換的型鋼混凝土桁架進行了數值分析并結合現場實測結果，研究了型鋼混凝土桁架的承載能力，可供類似工程設計與施工參考。

1 工程概況

某科研辦公樓位于大連市高新區，地下2 層，地上12 層。建筑物2 ～3 層右側局部采用了型鋼混凝土桁架托柱轉換，轉換桁架跨度18m（②～④軸），具體見圖1。該型鋼桁架的上下弦采用型鋼混凝土，型鋼為箱形截面：600mm×400mm×20mm×26mm（高×寬×腹板厚×翼緣厚）；豎腹桿也采用型鋼混凝土，型鋼為箱形截面：400mm×400mm×26mm×26mm（高×寬×腹板厚×翼緣厚）；上述鋼箱內均填充C50 自密實混凝土；斜腹采用鋼梁：400mm×300mm×20mm×26mm（高× 寬× 腹板厚× 翼緣厚），鋼材強度等級為Q345。鋼結構均為工廠加工后運至現場安裝。

圖1 型鋼混凝土桁架轉換結構示意圖（單位：mm）

為加快施工進度，擬取消原設置在③軸處施工臨時支撐點。為保證型鋼混凝土桁架的受力性能與結構安全，對②～④軸的桁架結構進行受力分析，同時，監控、檢測該桁架層在施工過程中的變形情況。

2 轉換桁架受力分析

2.1 轉換桁架估算

適當簡化轉換桁架的邊界條件，保守考慮，將桁架簡化為簡支體系，具體見圖2（a）。按經典力學，估算如下：對轉換桁架的框架柱僅考慮軸力F 的作用下，按結構受力原理，可將零桿ac、cd、ef、gh、gj 拆除，對受力模型進一步簡化，具體見圖2（b）。

圖2 轉換桁架計算的力學模型

僅考慮型鋼的受力，不考慮其內充及外包混凝土的作用進行計算。在軸力F 作用下，桿件cf 與fg 的軸力最大，按桿件應力fcf與ffg達到鋼材屈服強度（fy=335MPa）反算，得出各桿件相應軸力如下：Nab=Nij=-10737kN；Nbd=Nde=Neh=Nhi=-11446kN；Ncf=Nfg=22902kN；Nce=Neg=-15698kN；Nbc=Ngi=15698kN。

各桿件相應應力如下：fab=fij=-157MPa；fbd=fde=feh=fhi= -168MPa；fcf=ffg=335MPa；fce=feg=-251MPa；fbc=fgi=251MPa。此時，軸力計算公式如下：

讀取結構設計計算模型中施工階段的被轉換柱柱底荷載，其標準組合最大軸力Fk為13500kN。可見，在被轉換柱的豎向荷載作用下，鋼桁架的承載力為設計荷載的1.59倍，有較大的安全裕量。

2.2 轉換桁架的有限元分析

利用有限元軟件，對型鋼混凝土桁架進行分析。

分別采用大型通用有限元軟件ANSYS[4]的Link8 桿單元（僅考慮桿件的拉壓、節點為鉸接）和Beam188 梁單元模型（考慮桿件的彎曲、節點為剛接），與ZEUSNL 軟件[5]的纖維單元模型計算，具體見圖3。其中，ANSYS 軟件模型僅考慮型鋼的受力，不考慮其內充及外包混凝土的作用；ZEUSNL 軟件模型對前述內充與外包混凝土予以考慮。得出在跨中荷載F 作用下的荷載-位移曲線，具體見圖4。

圖3 鋼桁架數值計算模型

圖4 各計算模型下的荷載-位移曲線

從圖4 的ANSYS 計算結果可見，雖然有限元模型的桿件單元差異較大，但得到的荷載-位移曲線比較一致，表明在桁架結構承載能力計算中，采用桿單元的計算進度可達到與梁單元接近的效果。同時，按桿件單元的計算結果，與估算結果也基本吻合。

由于ZEUSNL 模型的纖維單元中考慮了鋼箱內充與外包混凝土的作用，與ANSYS 的計算結果相比，其計算結果剛度略偏大，承載力稍偏高，但整體趨勢基本一致。

有限元計算分析的結果表明，不同軟件、計算模型中選取不同桿件單元時，鋼桁架的計算屈服承載力均超過20000kN，超過施工階段上部9 層結構自重產生的柱底軸力1.5 倍以上，安全儲備較高。

3 轉換桁架的實測結果

主體結構施工時，利用全站儀與高精度水準儀，對轉換桁架的跨中撓度進行測量。同時，按讀取的結構設計計算模型施工階段被轉換柱的柱底荷載，標準組合最大軸力F=13500kN，假定上部9 層的每層荷載均為1500kN，并對比跨中撓度測量結果與各有限元模型的對應計算值，具體見表1。

表1 跨中撓度實測值與有限元模型計算值的對比

由表1 可見，由于有限元模型計算簡化時，未考慮兩側主體結構對轉換桁架的約束，略去了實際結構的約束邊界條件，導致轉換桁架的剛度與承載力相對實際結構減弱很多，因此跨中撓度的有限元模型計算結果遠大于現場實際測量值。同時，由表1 可知，現場實際測量的跨中撓度在每層施工結束時，基本趨勢呈線性變化，表明結構在各施工階段一直處于彈性狀態，未達到屈服。

4 結論

為加快施工進度、取消施工臨時支撐點時保證型鋼混凝土桁架的受力性能與結構安全，文章對某托柱轉換的型鋼混凝土桁架進行研究，采用有限元軟件對其承載能力進行數值分析后，進行跨中撓度的現場實測，并與有限元軟件計算結果進行對比，得出以下結論：

（1）在型鋼混凝土桁架結構的計算中，選用桿單元或梁單元模型，得出的計算結果與計算精度基本一致。

（2）估算有限元計算結果及現場實測結果均表明，施工階段該型鋼混凝土轉換桁架的承載能力富余。