陳飛 王舒緹

大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116023

某鋼桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的受力分析與現(xiàn)場實(shí)測

陳飛 王舒緹

大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 大連 116023

基于數(shù)值分析和現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行了某鋼桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)的承載能力研究。數(shù)值分析模型中，分別采用桿單元、梁單元和纖維單元模型計(jì)算了結(jié)構(gòu)的荷載—位移關(guān)系，結(jié)果表明，桿單元與梁單元計(jì)算結(jié)果基本一致。通過計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測撓度值的對(duì)比，認(rèn)為該鋼桁架有足夠的承載能力安全儲(chǔ)備。

鋼桁架轉(zhuǎn)換層；承載能力；數(shù)值分析；現(xiàn)場實(shí)測

Steel truss transfer story; load carrying capacity; numerical analysis; field measurement

大跨度鋼桁架-混凝土組合結(jié)構(gòu)在我國許多大型工程中獲得了應(yīng)用[1-2]。而目前許多工程單位對(duì)這種新型結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理認(rèn)識(shí)尚不清晰，加之近年來全球大震頻發(fā)對(duì)工程結(jié)構(gòu)造成的嚴(yán)重震害，引起了人們對(duì)新型結(jié)構(gòu)形式承載能力的關(guān)注[3]。本文針對(duì)某12層框架—剪力墻結(jié)構(gòu)中的一鋼桁架轉(zhuǎn)換層，分別采用數(shù)值分析和現(xiàn)場實(shí)測的方式，對(duì)其承載能力進(jìn)行了研究。

1. 工程概況

某框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，地上12層，地下2層。在其主樓右側(cè)2～3層采用了鋼桁架轉(zhuǎn)換層，如圖1所示。轉(zhuǎn)換層上部9層為鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)換鋼桁架采用Q345鋼材，為工廠加工預(yù)制，并運(yùn)輸至施工現(xiàn)場安裝。鋼桁架梁柱均為箱形截面，且位于1～6軸上的鋼箱內(nèi)填C50自密實(shí)混凝土。除斜向鋼支撐外，其余部分均在鋼箱外側(cè)包150～250mm厚度C50混凝土，并配置一定量的縱向和橫向鋼筋。

由于鋼桁架層最大跨度已達(dá)18m，且上部有9層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為充分保證桁架層的受力安全，對(duì)桁架層的受力特性進(jìn)行了分析，并在施工過程中對(duì)桁架層的變形進(jìn)行監(jiān)控、校核。

圖1 某鋼桁架轉(zhuǎn)換層示意圖

2 鋼桁架承載力的模擬分析

考慮最為危險(xiǎn)的情況，將桁架簡化為圖2所示的簡支體系。

圖2 18m跨度桁架計(jì)算采用的力學(xué)模型

顯然，當(dāng)僅考慮軸力F作用時(shí)，桿件ac、cd、ef、gh、gj均為零桿。則模型可簡化為圖2(b)所示。根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的荷載，上部9層結(jié)構(gòu)每層自重約1500kN，9層結(jié)構(gòu)引起的F最大為13500kN。

假設(shè)軸力F為20000kN，則可計(jì)算出各桿件內(nèi)力分別為：

Nab=Nij=-10000kN；Nbd=Nde=Neh=Nhi=-10660kN；Ncf=Nfg=21330kN；Nce=Neg=-14620kN；

Nbc=Ngi=14620kN

考慮各桿件內(nèi)力，不考慮混凝土的作用，僅考慮鋼架的受力，則各桿件應(yīng)力為：

fbd=fde=feh=fhi=-1 5 6 M P a；fcf=ffg=312MPa；fce=feg=-234MPa；fbc=fgi=234MPa

可以看出，鋼桁架的最大承載力約在20000kN左右，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)單位提供的荷載值。

為進(jìn)行鋼桁架受力全過程的分析，分別采用Link8桿單元，Beam188梁單元和纖維單元模型建立了桁架的分析模型，并進(jìn)行了受力全過程的分析，Link8桿單元和Beam188梁單元模型采用大型通用有限元軟件ANSYS[4]，纖維單元模型采用ZeusNL軟件計(jì)算[5]。Beam188單元和纖維單元的計(jì)算模型如圖3所示。各模型計(jì)算的桁架跨中荷載F-位移Δ曲線及對(duì)比如圖4所示。需要說明，Link8單元和Beam188單元模型中均未考慮鋼桁架內(nèi)填和外包混凝土的影響，纖維單元模型則考慮了桁架中混凝土的影響。

圖3 鋼桁架數(shù)值計(jì)算模型

圖4 不同計(jì)算模型計(jì)算的荷載—位移曲線

盡管Link8單元和Beam188單元的有限元模型存在很大的差別，如Link8單元的僅考慮桿件的拉壓、且節(jié)點(diǎn)為鉸接，而Beam188梁單元考慮了彎曲，且節(jié)點(diǎn)為剛接。但從圖4可以發(fā)現(xiàn)，兩者計(jì)算的桁架梁荷載—位移曲線幾乎是一致的，這說明，對(duì)桁架結(jié)構(gòu)采用桿單元計(jì)算其承載能力時(shí)，可取得與梁單元接近的計(jì)算精度。

纖維單元模型與前兩者計(jì)算結(jié)果存在一定的差距，表現(xiàn)在纖維模型計(jì)算的剛度偏大，承載力略高等，但應(yīng)當(dāng)注意到造成這種差別的主要原因是由于纖維模型中考慮了鋼桁架內(nèi)填和外包鋼筋混凝土的影響。

值得注意的是，無論哪種計(jì)算模型計(jì)算的鋼桁架屈服時(shí)的承載力都在20000kN以上，遠(yuǎn)大于上部9層結(jié)構(gòu)的自重，由此可以得出結(jié)論，鋼桁架具有很高的安全儲(chǔ)備。

3 鋼桁架的現(xiàn)場實(shí)測

施工過程中采用高精度水準(zhǔn)儀和全站儀量測了鋼桁架跨中的撓度情況，假定上部每層自重為1500kN，根據(jù)各模型計(jì)算的跨中位移值與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如表1所示。

可以看出，實(shí)測跨中撓度值遠(yuǎn)小于各模型計(jì)算值，這主要是由于各計(jì)算模型為結(jié)構(gòu)的最保守估計(jì)，采用的是如圖2所示的模式，邊界約束條件較實(shí)際結(jié)構(gòu)明顯偏弱，實(shí)際鋼桁架受左右兩側(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的約束，剛度明顯偏大，實(shí)際承載能力更強(qiáng)。另外值得注意的是，每層施工完畢后實(shí)測跨中撓度基本呈線性變化，這也從側(cè)面反映出結(jié)構(gòu)此時(shí)仍處于線性狀態(tài)，遠(yuǎn)未達(dá)到屈服。

表1 結(jié)構(gòu)實(shí)測跨中撓度及與計(jì)算模型的對(duì)比

4 結(jié)語

為研究某鋼桁架轉(zhuǎn)換層的承載力，首先采用數(shù)值分析手段計(jì)算了結(jié)構(gòu)受力全過程的荷載—位移曲線，并通過與現(xiàn)場實(shí)測撓度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，主要結(jié)論為：

1) 對(duì)鋼桁架結(jié)構(gòu)，采用桿單元和梁單元模型可以取得一致的計(jì)算精度；

2) 上部9層結(jié)構(gòu)施工完畢后，該結(jié)構(gòu)仍處于彈性狀態(tài)，具有很高的承載力安全儲(chǔ)備。

[1] 傅學(xué)怡.帶轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建議[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),1999,20(2):28-42.

[2] 徐政輝.某高層建筑中轉(zhuǎn)換層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工[J].山西建筑,2012,38(8):46-48.

[3] 孫治國,王東升,李宏男,等.汶川地震鋼筋混凝土框架震害及震后修復(fù)建議[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2010,19(4):114-123.

[4]司炳君,孫治國,艾慶華.Solid65單元在混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析中的應(yīng)用[J].工業(yè)建筑,2007,37(1):87-92.

[5] 孫治國,郭 迅,王東升,等.鋼筋混凝土空心墩延性變形能力分析[J].鐵道學(xué)報(bào),2012,34(1):91-96.

Analysis and field measurement of the load carrying capacity of one steel truss transfer story

Fei Chen Shuti Wang
The design institute of civil engineering & architecture of DUT, Dalian, 116024

Based on numerical analysis and field measurement, the load carrying capacity of one steel truss transfer story was studied. In the analysis model, link, beam and fiber element were used to calculate the load-displacement relationship of the steel truss transfer story, and it is found that load carrying capacity obtained by the link and beam element were almost the same. By comparing the field measured displacement and analysis results, it can be concluded that the steel truss transfer story is safe enough.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.037

陳飛，男，1982年1月出生，工程師，大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司結(jié)構(gòu)所;

王舒緹，女，1984年10月出生，助理工程師，大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司結(jié)構(gòu)所。