劉 明 輝

(北京首鋼建設(shè)投資有限公司，北京 100041)

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某連體鋼桁架設(shè)計(jì)

劉 明 輝

(北京首鋼建設(shè)投資有限公司，北京 100041)

結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)連體鋼桁架的設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算分析，指出球鉸支座方案通過(guò)施工釋放下弦桿軸力，滿(mǎn)足了自重荷載與風(fēng)荷載、地震作用對(duì)連體桁架的不同要求；單索幕墻變形對(duì)邊界要求較高，需真實(shí)考慮其剛度并保證其有足夠的剛度；單橋豎向振動(dòng)舒適度難以滿(mǎn)足規(guī)范要求，可通過(guò)懸掛于剛度較大的屋頂桁架給予解決。

連體鋼桁架，球鉸支座，單索幕墻，吊橋

1 工程背景

某裙房為5層高多層鋼框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，總高度22 m。主入口設(shè)置一個(gè)跨度30 m，5層通高的陽(yáng)光中庭。大廳兩側(cè)采用30 m跨屋面鋼桁架將裙樓連成一體；桁架受力很大，而建筑立面要求鋼桁架的高度不能大于2 300 mm，需要采用預(yù)應(yīng)力索。該桁架承受采光窗、4層吊橋、單索幕墻、地震等多種荷載作用，是一個(gè)集連體結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)、單索幕墻于一體的復(fù)雜受力大型空間預(yù)應(yīng)力鋼桁架結(jié)構(gòu)，有必要進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算、分析與研究。中庭軸測(cè)圖見(jiàn)圖1。

2 桁架選型

本工程索網(wǎng)幕墻寬30 m，高23 m，風(fēng)引起幕墻索荷載主要沿豎向傳遞，沿水平方向傳遞力較?。淮送?，門(mén)廳雨棚高8 m，索網(wǎng)幕墻錨固其上，縮短了幕墻豎向距離，而幕墻兩側(cè)又均無(wú)剛度較大的剪力墻，故本工程風(fēng)引起的幕墻索荷載主要沿豎向傳遞至屋頂桁架，僅少量水平荷載傳遞到大廳兩側(cè)鋼柱。為滿(mǎn)足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]及《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》[2]對(duì)桁架剛度的要求，本工程引入預(yù)應(yīng)力拉索，使主桁架在恒載作用下?lián)隙葹?(見(jiàn)圖2)。

連體結(jié)構(gòu)中對(duì)于較弱的連接體(如連廊等)，連接體與兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)連接通常采用“放”的措施，即連接體與兩側(cè)分別鉸接和滑動(dòng)，這樣有利于減輕連接體結(jié)構(gòu)負(fù)擔(dān)，兩側(cè)單體在地震作用下也不會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜耦合振型[3]。本工程主桁架兩側(cè)分別為框剪結(jié)構(gòu)與單跨框架，為提高單跨框架的抗震能力及抵抗水平風(fēng)荷載作用能力，本工程采用強(qiáng)連接，這就要求主桁架做得很“剛”，能夠協(xié)調(diào)兩側(cè)單體變形；此外，本工程幕墻索水平方向也有較大的拉力作用在鋼柱上，如果屋面桁架采用滑動(dòng)支座，在幕墻水平索拉力作用下柱頂將產(chǎn)生較大的位移，柱底將產(chǎn)生較大的彎矩，設(shè)計(jì)無(wú)法滿(mǎn)足要求，因此，必須利用屋面鋼桁架來(lái)平衡幕墻索的水平拉力。

2.1 桁架剛接方案

鋼桁架采用剛性連接(見(jiàn)圖3)，桁架上下弦與框架柱剛接。這樣設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是桁架剛度較好，中庭桁架可很好協(xié)調(diào)兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)變形；缺點(diǎn)是與作為桁架支點(diǎn)的框架柱承受桁架上弦較大的拉力，預(yù)應(yīng)力索的預(yù)拉力也傳遞到框架柱，使整個(gè)結(jié)構(gòu)難以設(shè)計(jì)。張弦梁為自平衡體系，一般要求兩側(cè)支承點(diǎn)分別為鉸接和滑動(dòng)，這樣預(yù)應(yīng)力索產(chǎn)生的水平拉力可由鋼桁架弦桿承擔(dān)，桁架兩側(cè)支座僅承受豎向力。本工程由于桁架需協(xié)調(diào)兩側(cè)單體變形，需要與兩側(cè)單體強(qiáng)連接；而預(yù)應(yīng)力直接施加在桁架上會(huì)對(duì)兩側(cè)框架柱產(chǎn)生較大的拉力，地震作用下預(yù)應(yīng)力索也可能松弛失效，此外主桁架直接與兩側(cè)框架柱連接也會(huì)對(duì)兩側(cè)框架柱產(chǎn)生較大的拉、壓力，桁架在恒載作用下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)下弦與框架柱連接處會(huì)產(chǎn)生較大彎矩，使下弦難以設(shè)計(jì)。

2.2 桁架球鉸支座方案

采用成品鑄鋼球鉸支座，使鋼桁架完全“墩”在框架柱頂板上；下弦兩端側(cè)桿件施工時(shí)與框架柱斷開(kāi)，在桁架索預(yù)應(yīng)力、幕墻豎向索預(yù)應(yīng)力張拉之后，幕墻水平索張拉之前焊接(見(jiàn)圖4)。這樣做就很好解決了上述困難：自重等荷載主要由標(biāo)準(zhǔn)張弦梁承擔(dān)(施工預(yù)應(yīng)力索及幕墻豎向索時(shí)桁架兩側(cè)可滑動(dòng))，桁架兩側(cè)框架柱僅承擔(dān)桁架的豎向力；正常使用時(shí)下弦與兩側(cè)框架柱鉸接，桁架可很好的抵抗幕墻水平索產(chǎn)生的拉力，地震情況下又可以很好協(xié)調(diào)兩側(cè)框架變形。

3 單索幕墻抗風(fēng)設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力單層索網(wǎng)幕墻需要滿(mǎn)足索網(wǎng)平面外變形小于1/50短向跨度[2]的要求，對(duì)屋頂鋼桁架要求較高。為考慮邊界條件對(duì)單索幕墻的影響，對(duì)剛性邊界模型和彈性邊界模型進(jìn)行對(duì)比分析，如圖5所示。

采用大型有限元分析軟件ANSYS建立模型，橫索、豎索均采用Link10單元，橫索、豎索相交處共用一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，相交處位移變形協(xié)調(diào)。橫索施加2.25‰的初始應(yīng)變(80 kN初始拉力)，豎索施加2.5‰的初始應(yīng)變(150 kN初始拉力)，有限元模型如圖5所示。豎直拉索取φ28；水平拉索取φ18，彈性模量E=1.3×105MPa；在外力加載前(即僅存在恒載及預(yù)應(yīng)力荷載作用)主桁架垂直位移為0。

3.1 剛性邊界模型

模型施加風(fēng)荷載，得到幕墻正常使用狀態(tài)下平面外位移最大為143 mm，滿(mǎn)足規(guī)范索要求；風(fēng)荷載作用下豎索最大拉力發(fā)生在幕墻頂部鋼框架正上方，索力為314 kN～318 kN(應(yīng)力為500 MPa)，幕墻兩側(cè)豎索拉力較小為250 kN～270 kN，地面豎索拉力為180 kN～195 kN，門(mén)框頂豎索拉力為275 kN(295 MPa)；橫索大部分為83 kN～100 kN，局部最大126 kN(500 MPa)，如圖6所示。幕墻頂部鋼框架正上方豎索拉力最大，而橫索拉力與初拉力80 kN相比變化較小，說(shuō)明風(fēng)荷載主要由豎向索進(jìn)行傳遞；鋼門(mén)框角部橫索拉力變化較大，主要是因?yàn)槠湎拗颇粔啥素Q索在風(fēng)荷載作用下的變形。

3.2 彈性邊界模型

對(duì)此模型施加風(fēng)荷載，得到幕墻正常使用狀態(tài)下平面外位移最大為228 mm，為幕墻索短向跨度的1/55，滿(mǎn)足規(guī)范索要求；風(fēng)荷載作用下豎索最大拉力發(fā)生在幕墻頂部鋼框架正上方，索力為285 kN～300 kN(應(yīng)力為485 MPa)(見(jiàn)圖7)，幕墻兩端豎索拉力較小為250 kN～260 kN，地面豎索拉力為178 kN～188 kN，門(mén)框頂豎索拉力為250 kN；橫索大部分為83 kN～100 kN，局部最大126 kN(500 MPa)。

3.3 小結(jié)

正常使用狀態(tài)下，彈性邊界與剛性邊界幕墻索最大面外位移分別為234 mm和143 mm，彈性邊界幕墻索位移比剛性邊界增加60%；彈性邊界與剛性邊界對(duì)應(yīng)的幕墻索應(yīng)力變化很小，豎索最大拉力僅變化6%。可見(jiàn)邊界條件對(duì)幕墻索力無(wú)明顯影響，可采用簡(jiǎn)化模型進(jìn)行索拉力估算；但其對(duì)位移影響很大，應(yīng)引起足夠的

重視。

4 吊橋分析

本工程吊橋四層(見(jiàn)圖2)，跨度30 m，寬3.2 m。吊橋縱向主要由兩根H800×400×16×30組成，采用一端鉸接一端滑動(dòng)的形式；為增加吊橋側(cè)向剛度，縱向主梁間采用角鋼斜撐連接。

采用通用有限元對(duì)天橋單獨(dú)振動(dòng)進(jìn)行了分析，得到單橋第一振動(dòng)頻率為豎向振動(dòng)，頻率1.88 Hz(見(jiàn)圖8)，不滿(mǎn)足規(guī)范[4]要求。

欲提高單橋的頻率，需加大單橋的剛度或減小單橋的質(zhì)量；而增強(qiáng)單橋的剛度會(huì)加大單橋的質(zhì)量，這是個(gè)矛盾的問(wèn)題，工程上難以解決，本工程采用將四橋懸掛于屋頂?shù)姆绞浇鉀Q這個(gè)難題。

鋼桁架豎向剛度較大，為7.5 Hz；采用φ50鋼拉桿(鋼拉桿剛度要求較高，否則不能較好提高吊橋剛度)將四層吊橋懸掛于屋頂鋼桁架。求得吊橋第一階豎向振動(dòng)頻率為3.1 Hz(見(jiàn)圖9)，滿(mǎn)足了規(guī)范要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)連體鋼桁架的分析，得出如下結(jié)論：1)桁架剛接方案設(shè)計(jì)困難，不適用于張弦連體結(jié)構(gòu)；球鉸支座方案通過(guò)施工釋放下弦桿軸力，較好解決了自重荷載與風(fēng)荷載、地震作用對(duì)連體桁架的不同要求。2)單索幕墻變形對(duì)邊界要求較高，需真實(shí)考慮其剛度并保證其有足夠的剛度。3)單橋豎向振動(dòng)舒適度難以滿(mǎn)足規(guī)范要求，可通過(guò)懸掛于剛度較大的屋頂桁架給予解決。

[1] GB 50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] JGJ 102—2003，玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

[4] CJJ 69—95，城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范[S].

A conjoined steel truss design

Liu Minghui

(BeijingShougangConstructionInvestmentLimitedCompany,Beijing100041,China)

Combining with the engineering example, this paper made calculation and analysis on conjoined steel truss design, pointed out that the ball joint bearing scheme improved the construction release under rod axial force, satisfied the different requirement of gravity load and wind load, earthquake effect to conjoined truss, the single cable curtain wall deformation had higher demand to boundary, need to really consider its stiffness and guarantee its enough stiffness, the single bridge vertical vibration comfort difficult to meet the specification requirements, could solve through suspend large stiffness roof truss.

conjoined steel truss, ball joint bearing, single cable curtain wall, suspension bridge

1009-6825(2016)10-0040-02

2016-01-23

劉明輝(1982- )，男，工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師

TU318

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