江玉泉

摘要：在建筑結(jié)構(gòu)加固工程中，鋼筋混凝土桁架安裝快速便捷，能充分利用材料的強度，有利于節(jié)省材料，減輕自重和增大剛度，因此在較大跨度的承重結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。本文介紹了單層鋼筋混凝土桁架梁的形式和其幾種結(jié)構(gòu)形式，對其受力性能進行了對比分析，總結(jié)出鋼筋混凝土桁架的受力特征，以改造加固工程為例，提出合理的鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)，并提出相關(guān)的設(shè)計要點和建議。

關(guān)鍵詞：建筑工程；結(jié)構(gòu)加固；鋼筋混凝土桁架

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的飛速增長，城市里的建筑工程越來越多，人們在關(guān)心建筑的外觀設(shè)計以外，更關(guān)注的是建筑的堅固耐用程度。因為設(shè)計和施工等原因，建筑的質(zhì)量往往不高，所以我們就要對建筑進行改造加固，如何做好建筑的改造加固工作成為了人們思考的問題。下面就這方面的問題進行討論分析。

1 工程概況

某建筑寫字樓其平面形狀比較規(guī)則對稱，地上8層，全現(xiàn)澆混凝土框架結(jié)構(gòu)，首層層高3.9m，其余各層均為3.0m，自首層地面到主要屋面的總高度為27.8m。原結(jié)構(gòu)六層及六層以下混凝土的強度等級為C35，七層及七層以上混凝土強度等級為C30，柱子截面尺寸為600mm×600mm，主梁截面尺寸為300mm×700mm，次梁截面尺寸為240mm×600mm，樓板厚度均為120mm?，F(xiàn)在對梁進行改造加固處理，經(jīng)過初步分析，若采用傳統(tǒng)的比較成熟的增大截面加固法，其截面高度至少為1.5m以上，形成轉(zhuǎn)換梁，這樣的話，其截面尺寸是柱的兩倍多，造成較大的剛度突變，梁的剛度遠大于柱的剛度，違背了設(shè)計規(guī)范中的強柱弱梁的要求。考慮到結(jié)構(gòu)本身的特點，單層鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)傳力明確，開洞設(shè)置管道方便，能很好的滿足建筑空間要求，其自重和抗側(cè)剛度比轉(zhuǎn)換梁小，使質(zhì)量和剛度突變相對緩和，地震反應(yīng)比轉(zhuǎn)換梁要小的多，因而在橫向選用兩個鋼筋混凝土桁架轉(zhuǎn)換梁[1]。

2 鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)的形式

鋼筋混凝土桁架多用于屋架、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)和和塔架，受荷時以彎曲變形為主，類似于梁的受力特性，但又有桁架的受力特點，其受力明確，傳力途徑清晰。主要由上弦桿、下弦桿、直腹桿或斜腹桿組成。主要結(jié)構(gòu)形式有空腹桁架、斜腹桿桁架和混合桁架，如圖1所示。在實際工程中，在下弦桿中施加預(yù)應(yīng)力能抵消下弦拉力和部分彎矩，使下弦由偏心拉桿轉(zhuǎn)變?yōu)槠膲簵U，提高了剛度，有效控制裂縫。

3 在豎向荷載作用下鋼筋混凝土桁架的受力分析

3.1 空腹桁架的受力特征

3.1.1 減少豎腹桿間距對空腹桁架的受力性能影響

如圖2所示，對1-3三種桁架模型進行受力分析可知，下弦桿主要承受拉力，還承受彎矩和剪力，中間部位的拉力非常大，向兩端遞減，兩端會出現(xiàn)壓應(yīng)力，承受彎矩和剪力的特性類似于梁，隨著腹桿間距的減少，加大了空腹桁架梁的整體剛度，使下弦桿的拉力趨向均勻，減小了下弦桿的彎矩、剪力和跨中撓度。上弦與下弦的受力特征相反，中間受壓，壓力值向梁端遞減，端部出現(xiàn)拉應(yīng)力，隨著腹桿間距的減少，壓力值趨向均勻。豎腹桿承受彎矩、剪力和軸力，內(nèi)力分布從中間向梁端支座遞增，即靠近支座腹桿的內(nèi)力最大，隨著腹桿間距的減少，腹桿的內(nèi)力加大。1-3種桁架模型的撓度均比較大。

3.1.2 腹桿間距不等對空腹桁架受力性能的影響

如圖2所示，模型4（豎腹桿中間密兩邊?。┡c模型5（豎腹桿中間稀兩邊密）進行對比分析得，在支座部位加密豎腹桿，可增加桁架的剛度，能有效的減少桁架的跨中撓度，但加密中間的豎腹桿，對桁架結(jié)構(gòu)受力性能影響小。

3.1.3 改變桁架的截面尺寸對空腹桁架受力性能的影響

加大下弦桿的截面尺寸，對桁架的受力性能是有利的，但不宜增大太多，否則下弦很容易形成獨立梁的受力特性，失去桁架的特性。增大上弦桿的截面尺寸，相當于增大其剛度，內(nèi)力相應(yīng)增大，從而減小了下弦桿的內(nèi)力，有利于增強空腹桁架的共同工作效應(yīng)。加大豎腹桿的截面尺寸，即增大豎腹桿的剛度，使豎腹桿與弦桿的相對剛度減小，豎腹桿承擔的內(nèi)力相應(yīng)加大；桁架的整體剛度增大，減少了桁架的跨中撓度，降低了下弦桿的彎矩和剪力，但也增大了下弦桿的軸力。

3.2 斜腹桿桁架的受力分析

如圖1所示，對其進行受力分析計算，斜腹桿桁架上、下弦桿如同空腹桁架，上弦主要承受壓力，中間最大并向兩端遞減，在端部出現(xiàn)拉應(yīng)力；下弦桿主要承受拉力，中間最大并向端遞減，端部出現(xiàn)壓應(yīng)力。斜腹桿所受拉壓軸力相間，其數(shù)值大小從中間向兩邊遞減。桁架所受剪力從中間最向兩邊遞增，但剪力值比空腹桁架小的多。斜腹桿桁架所受的彎矩很小，受力特性類似于空腹桁架，其跨中撓度比空腹桁架小的多。

3.3 混合桁架的受力特性

如圖1所受，對其模型進行分析，其受力特征與斜腹桿桁架相似，其跨中撓度也差不多。

3.4 幾種鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)形式分析

通過以上三種鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)形式的分析可得：

3.4.1 不論哪種桁架形式，弦桿的受力特性相似。下弦桿主要承受拉力，中部最大并向兩邊遞減，端部可能出現(xiàn)壓應(yīng)力；上弦受壓，中部最大并向兩邊遞減，端部可能出現(xiàn)拉應(yīng)力。

3.4.2 斜腹桿桁架可以將下弦所受的較大集中力向上弦桿傳遞，從而能有效增加上、下弦的共同受力，使受力更趨向均勻，具有卸荷作用；其所受的剪力明顯小于空腹桁架，能有效提高桁架的抗剪作用。

3.4.3 斜腹桿桁架相對于空腹桁架的跨中撓度小很多。

4 工程應(yīng)用

對寫字樓進行改造后，大跨度梁的受荷簡圖如圖3所示，結(jié)合建筑功能和梁的受力特點，本工程所設(shè)計的鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)形式如圖3的混合桁架，桿件的截面尺寸：桁架兩端支座豎桿和中間豎腹桿均為原有構(gòu)件，其尺寸為600mm×600mm，弦桿亦為原有構(gòu)件，其尺寸為300mm×700mm，其他的豎腹桿和斜腹桿均為新增構(gòu)件，其尺寸均為300mm×400mm。

5 工程實際中鋼筋混凝土桁架的計算

在加固改造設(shè)計中，應(yīng)建模進行整體分析，可采用SATWE計算軟件結(jié)構(gòu)分析，在建模時，弦桿可采用梁單元，腹桿可采用斜桿單元，弦桿所在樓層的樓板應(yīng)設(shè)置成彈性膜，若采用剛性樓板假定，則計算出的弦桿軸力趨向零，不符合實際情況；桁架節(jié)點可采用剛性連接，在分析計算桁架軸力時，采用剛性節(jié)點和鉸接節(jié)點的軸力相差不大，若保守設(shè)計，可采用鉸接計算，上弦按支撐于節(jié)點的連續(xù)梁計算。應(yīng)根據(jù)桁架的跨度和荷載的大小，是否考慮由于桿件的相對線位移和角位移引起的次應(yīng)力計算[2]。

通過較大的結(jié)構(gòu)改造后，局部結(jié)構(gòu)變的較為復(fù)雜，可按廣義層模型輸入，在計算內(nèi)力及配筋時可采用全樓彈性膜假定。由于局部層高不一致，層間位移比、層間剛度比、層間受剪承載力等計算指標可能會失真，因而不能一概采用對常規(guī)框架結(jié)構(gòu)的判斷方法來分析這些數(shù)據(jù)，而應(yīng)加以判斷分析，確定其合理性，最終還應(yīng)按單榀框排架進行驗算。

6 工程改造加固設(shè)計的要點

6.1 由于桁架梁端所受彎矩和剪力均較大，對桁架兩端的節(jié)點應(yīng)加固處理，可采用加大截面法即對梁加腋。

7 結(jié)語

由上可見，在建筑結(jié)構(gòu)改造加固中，采用單層鋼筋混凝土桁架梁來解決拆除柱子形成大跨度的梁，這是有效的方案。桁架為超靜定結(jié)構(gòu)，空腹桿、斜腹桿的截面尺寸及其布置對桁架內(nèi)力分布產(chǎn)生很大的影響，設(shè)計時應(yīng)充分考慮各方面條件，優(yōu)化桿件截面尺寸和布置形式。在進行改造加固設(shè)計時，要注意對細部節(jié)點加固。