賈航 黃勇 謝欽

(貴州大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，貴州貴陽 550025)

0 引言

鋼管—混凝土桁架組合結(jié)構(gòu)是由鋼管與混凝土組成的一種結(jié)構(gòu)。學(xué)者對組合桁架結(jié)構(gòu)的研究已有很多，如文獻(xiàn)[1］指出，正常使用情況下，鋼—混凝土組合桁架的工作特征表現(xiàn)為彈性性能，繼續(xù)加載至極限荷載95%時，試件由于斜腹桿的屈曲而破壞，組合桁架的截面突變?nèi)匀换旧戏掀浇孛婕僭O(shè)。文獻(xiàn)[2］提出，普通桁架桿件之間假定為鉸接，忽略節(jié)點剛度的影響，不計次應(yīng)力對桿件內(nèi)力所引起的變化，另外，模型試驗和工程實踐都已表明，鉸接是完全許可的。

鋼—混凝土組合桁架方面的研究已趨于完善。但是鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)一般適用于橋梁和重型屋面結(jié)構(gòu)，而不適用于輕型屋面結(jié)構(gòu)。針對輕型屋面，本文提出用鋼管代替下弦及腹桿處的型鋼，并且去掉桁架的上弦桿，而用混凝土板直接來做上弦。本文主要就是對這種改進(jìn)的組合桁架運用ANSYS建立模型，對其進(jìn)行靜力分析，為其工程應(yīng)用和理論分析提供依據(jù)。

1 鋼管—混凝土組合桁架的構(gòu)造和特點

1.1 鋼管—混凝土組合桁架的構(gòu)造

鋼管—混凝土組合桁架上弦沒有采用鋼管，而是用混凝土板取代上弦桿來承擔(dān)壓力，混凝土板與腹桿的連接是通過鋼墊板來傳遞的，鋼墊板與腹桿焊接，混凝土板與鋼墊板之間通過抗剪連接件連接。鋼管—混凝土組合桁架上弦節(jié)點構(gòu)造示意圖如圖1所示。

圖1 鋼管—混凝土組合桁架上弦節(jié)點構(gòu)造示意圖

1.2 鋼管—混凝土組合桁架的特點

鋼管—混凝土組合桁架結(jié)構(gòu)用混凝土板代替彩鋼板或玻璃等作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，同時混凝土板代替上弦桿而受壓。這樣混凝土不僅可以取代上弦桿充分地發(fā)揮其抗壓強(qiáng)度，還可以取代大量的面外支撐桿，并且對桁架起到面外支撐的作用。

這種結(jié)構(gòu)將充分發(fā)揮鋼材受拉和混凝土受壓的有利條件，使兩種不同材料充分發(fā)揮各自強(qiáng)度優(yōu)勢;同時由于上弦的混凝土參與工作，所以結(jié)構(gòu)的抗彎剛度會大大的提高，抗震性能也會有所提高。

2 算例設(shè)計與分析方法

2.1 算例設(shè)計

本文以某場館為例進(jìn)行分析，建筑平面為矩形，尺寸為20 m×24 m，柱網(wǎng)為8 m×20 m，桁架間距為2.0 m，桁架與邊梁鉸接處理。桁架部分全部采用方鋼管，其中桁架的下弦桿采用截面尺寸為100 mm×100 mm、壁厚為8 mm的方形鋼管，腹桿采用截面尺寸為80 mm×80 mm、壁厚為8 mm的方形鋼管?；炷涟逡戆宓膶挾雀鶕?jù)文獻(xiàn)[6］中組合梁翼緣寬度的取法取為2 m，板厚根據(jù)文獻(xiàn)[3］取為80 mm，桁架高度根據(jù)文獻(xiàn)[3］取為1.4 m。一榀桁架立面圖如圖2所示。

圖2 鋼管—混凝土組合桁架一榀桁架立面示意圖

2.2 分析方法

建立有限元模型，采用桿單元來模擬桁架下弦桿和腹桿。對于混凝土板，由于其縱向和橫向的尺寸都遠(yuǎn)大于豎向尺寸，故采用板單元模擬。應(yīng)用ANSYS建立有限元模型，采用Link8單元模擬桁架的下弦桿和腹桿，采用Shell63單元模擬混凝土板。

本文僅選取一榀桁架進(jìn)行分析?；炷翉?qiáng)度等級取為C30，彈性模量取3.0，泊松比取0.2。鋼管采用Q235級鋼，彈性模量取2.06，泊松比取0.3。桁架兩端鉸接，混凝土板與腹桿通過合并節(jié)點來自動耦合，板的兩側(cè)邊采用對稱約束。建模時不考慮結(jié)構(gòu)材料自重，而是把自重?fù)Q算為恒載直接加在結(jié)構(gòu)上。網(wǎng)格劃分時，桁架部分各桿件自身作為一個單元，混凝土部分劃為正方形單元，尺寸大小為0.5 m×0.5 m，有限元模型如圖3所示。

圖3 鋼管—混凝土組合桁架有限元模型

3 主要分析結(jié)果

3.1 組合桁架軸力分析

本文分別對20 m跨度的組合桁架和普通鋼管桁架進(jìn)行分析，除桁架上弦外，保證普通鋼管桁架的所有參數(shù)與組合桁架中的鋼桁架部分完全一致，普通桁架上弦桿采用與下弦相同的鋼管，僅將荷載施加在桁架的節(jié)點上。組合桁架腹桿內(nèi)力計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 鋼管—混凝土組合桁架腹桿軸力圖

由圖4可知組合桁架各斜腹桿的內(nèi)力分布為兩邊大，中間小，中間腹桿軸力幾乎為零，這和普通簡支實腹梁的剪力分布相類似(支座處最大，跨中最小)，這表明組合桁架的受力模型是合理的。

桁架下弦共10根桿，依次劃分為10個單元，由于結(jié)構(gòu)對稱，表1中只給出下弦桿左半跨的五個單元的軸力。

表1 兩種桁架下弦桿軸力對比 N

由表1可知，鋼管—混凝土組合桁架與普通鋼管桁架的受力性能基本一致，但是前者軸力相對較小，下弦跨中軸力最大，為392 370，支座處最小，為119 512;而普通鋼管桁架下弦桿軸力跨中為446 610，支座處為160 780，并且鋼管—混凝土桁架較普通桁架內(nèi)力均有所降低，跨中軸力降幅達(dá)12.14%。從經(jīng)濟(jì)和施工方面來講，內(nèi)力小就可以降低材料用量，從而節(jié)省造價;而在材料一定的情況下，鋼管—混凝土組合結(jié)構(gòu)的承載力將會有較大提高，由此表明鋼管—混凝土組合桁架結(jié)構(gòu)體系較普通桁架更具有優(yōu)越性。

3.2 組合桁架位移分析

表2給出了兩者下弦左半跨各節(jié)點的撓度值及對比，由表可知，在相同荷載作用下，組合桁架跨中撓度為28.98 mm，而普通鋼管桁架的跨中撓度達(dá)40.42 mm，兩者撓度均滿足相關(guān)規(guī)范的撓度限值(l/400)。但是鋼管—混凝土組合桁架與普通桁架相比下弦各節(jié)點撓度均有所減小，最大降幅達(dá)30.24%，可見，用混凝土板來代替上弦桿之后，結(jié)構(gòu)的撓度大大減小，抗彎剛度明顯提高，材料和截面高度一定的情況下，適用的跨度更大;而跨度一定的情況下，可以用較小的截面高度就能滿足規(guī)范要求。

表2 兩種桁架撓度對比 mm

3.3 組合桁架混凝土板的內(nèi)力分析

由圖5可知，混凝土板X方向應(yīng)力值大部分處于－1.57 N～－7.2 N之間，基本處于受壓狀態(tài)，與普通鋼管桁架上弦桿受力性質(zhì)相似。同時由圖5還可以看出，混凝土板與腹桿接觸的地方會出現(xiàn)比較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力比較復(fù)雜，局部可能會處于受拉狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)用于實踐時，還需要做進(jìn)一步的深入研究。

圖5 組合桁架上弦混凝土板內(nèi)力云圖

4 結(jié)語

本文主要是提出在普通鋼管桁架的基礎(chǔ)上改進(jìn)而得來的一種新型組合桁架，即用混凝土板取代普通鋼管桁架的上弦桿。從以上的分析可知，這種組合桁架符合普通鋼管桁架的受力性能，即下弦受拉，上弦混凝土板取代上弦而受壓，充分發(fā)揮了混凝土的抗壓強(qiáng)度和鋼材的抗拉強(qiáng)度。另外，混凝土板可以改善下弦桿的受力性能，從而可以使結(jié)構(gòu)受力更合理;由撓度分析可知，鋼管—混凝土組合桁架結(jié)構(gòu)的跨中撓度較普通桁架的撓度降低28.3%，表明其抗彎剛度有較大提高。此外，本文還提出了腹桿與混凝土板的節(jié)點構(gòu)造和相關(guān)處理。但要應(yīng)用于工程實踐還需要對其動力特性進(jìn)行更為深入研究。

[1]R.Bjorhovde.Full scale test of a composite truss.Structural Engineering Report 97，Department of Civil Engineering，University of Alberta，1980.

[2]張毅剛，薛素鐸，楊慶山，等.大跨度空間結(jié)構(gòu)[M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S］.

[4]GB 50017-2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S］.

[5]張 磊.輕鋼框―桁架組合結(jié)構(gòu)的研究及在加層建筑中的應(yīng)用[D］.貴陽:貴州大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

[6]聶建國，劉 明，葉列平.鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)[M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

[7]楊 洋.鋼—混凝土組合梁單調(diào)靜力性能有限元分析[J］.山西建筑，2011，37(23):67-68.