某裝配式交錯桁架結構經濟布局分析

冷新中 李澤深 胡雪雅

1.結構特性

裝配式交錯桁架結構有如下特點：（1）除樓梯間等局部位置，鋼柱布置于建筑的外圍，建筑室內無中間柱子，可以節省中間柱子占用面積。（2）鋼桁架沿框架柱交錯布置，除首層外，桁架的高度與建筑層高相同，跨度與建筑的結構寬度相同，桁架兩端支撐于框架柱上。（3）混凝土樓板一端支撐在鋼桁架的上弦桿，另一端則支撐在相鄰上層桁架的下弦桿上。

基于上述結構特性，因此交錯桁架結構建筑具有空間大，建筑內部沒有中柱，便于建筑的靈活布置；建筑凈空大，由于樓板支撐與桁架弦桿，沒有次梁等優點。

交錯桁架結構適用于中間具有內廊的建筑，比如辦公樓、酒店、公寓等。其由框架柱、橫向桁架組成橫向抗側力結構，框架梁柱、縱向支撐組成縱向抗側力結構。結構的水平荷載通過樓板傳遞給橫向桁架，再傳遞給柱子，結構構件主要承受軸力，可以較好地發揮材料的性能[1]。

2.工程概況

為了研究裝配式交錯桁架結構在常規建筑布局下的經濟性能，本文選取某七層內廊式辦公建筑，建筑跨度為8m+2.5m+8m=18.5m，建筑功能為某公司辦公樓，結構剖面圖如圖1。為了研究不同桁架間距、不同層高情況下，交錯桁架結構的經濟性，按照一層、二層～七層層高分別為3.6m、3m（層高工況1）；3.9m、3.3m（層高工況2）；3.9m、3.6m（層高工況3）進行的對比計算分析，同時桁架間距分別為：3.6m（間距工況1）、3.9m（間距工況2）、4.2m（間距工況3）、4.5m（間距工況4）、4.8m（間距工況5）。

圖1 結構剖面圖

對不同層高工況、不同桁架間距工況進行排列組合，共15 種分析工況。結構荷載：樓板厚度120mm 厚，恒載由軟件自動計算；附加恒載考慮50mm 裝修面層、吊頂等，取150kg/m2。活載取值按照現行荷載規范取值。

3.計算分析

計算采用有限元軟件YJK，建立整體空間結構模型進行計算分析。對上述15 個模型的計算分析，并且按照現行規范指標進行結構、構件的優化設計。對每種分析工況下的結構的用鋼量、樓板鋼筋用量等參數，同時對鋼柱、桁架弦桿等主要受力構件截面進行了統計分析。

3.1 構件截面分析

通過計算分析，在不同的層高工況，桁架間距工況條件下，建筑主要受力構件鋼柱為矩形截面，桁架弦桿為H 型鋼梁，鋼材材質為Q355B。

通過分析，在桁架間距一定，層高增大的情況下，鋼柱截面規格在增大，工況1 到工況2 時，鋼柱截面變化不大，工況3 時，由于層高突破多層建筑，因此鋼柱截面有較大幅度增大；在層高工況一定，桁架間距增大的情況下，間距1—間距2 工況下，鋼柱截面變化不大，間距3—間距5 工況下，隨著桁架間距的增大，分擔荷載的增加，鋼柱截面有較大幅度增大。

在各種工況下，桁架弦桿的截面規格沒有變化，由于交錯桁架的桁架高度相當于樓層高度，建筑跨度為18.5m，桁架上弦、下弦均有樓板約束，因此具有較大的荷載適應范圍。考慮到制造加工、連接節點等，沒有再對弦桿進行優化[2]。

3.2 層高對經濟指標的影響

在桁架間距保持一定，對不同層高工況的用鋼量指標進行了數據分析，用鋼量指標詳見圖2。可以看出，在桁架間距一定的情況下，隨著結構建筑層高、建筑高度的增加，用鋼量呈線性增長。工況1 變化到工況2，用鋼量增加比例不大，工況2 變化到工況3 用鋼量有大幅度增加，由于工況3 的建筑高度超過24m，需按照高層建筑相關指標設計構件，因此引起用鋼量的較大幅度增加。

圖2 用鋼量曲線圖

3.3 桁架間距對經濟指標的影響

在層高工況保持一定，對不同桁架間距工況的用鋼量指標進行了數據分析，每平方米用鋼量指標詳見圖3。在層高工況1 情況下，用鋼量指標在間距工況1～工況3 之間以較大幅度下降，間距工況3～工況5 之間緩慢上升。在間距工況3，即間距為4.2m 時，用鋼量最省；在層高工況2、工況3 情況下，用鋼量指標在間距工況1～工況4 之間以較大幅度下降，間距工況4～工況5 之間緩慢上升。在間距工況4，即桁架間距為4.5m 時，用鋼量最省[3]。

圖3 用鋼量曲線圖

桁架間距工況1～工況3 的情況下，樓板配筋基本一致。間距工況4、間距工況5 樓板配筋有所增加，而且常規的壓型鋼板或者鋼筋桁架樓承板無法實現免支撐施工，需要在跨中設置臨時支撐。因此，綜合考慮，間距工況3 綜合經濟指標是相對較優的。

4.小結

對于交錯桁架結構，通過對上述某七層內廊式辦公建筑的分析，可以初步得出交錯桁架經濟布局。

（1）建筑層高，首層層高不超過3.9m，標準層層高不超過3.3m，總體建筑高度小于24m，對于多層交錯桁架結構是較為經濟的層高。

（2）綜合考慮結構用鋼量、樓板鋼筋用量以及施工支撐措施等，交錯桁架間距取值4.2m 是較為經濟的。房屋開間為4.2m，相對于傳統框架結構來說，對應8.4m 的柱距，也適用于辦公、酒店、公寓等建筑常用的開間布置。

（3）由于篇幅所限，本文僅對某一類多層交錯桁架建筑結構的經濟布局進行了分析研究。對于7層～12層的小高層，以及高層建筑，還有待后續研究分析。