劉勁松，肖從真，王翠坤

(1.東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京，210096；2.中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑結(jié)構(gòu)研究所，北京，100013)

近年來，高層建筑朝著多元化、多功能和多類型發(fā)展，建筑立面變化豐富，平面功能復(fù)雜，這對(duì)建筑功能、空間及美學(xué)要求不斷提升。為滿足建筑底層大空間、大跨越和立面形態(tài)等要求，經(jīng)常采用梁式和桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)豎向傳力直接、明確，但當(dāng)轉(zhuǎn)換梁跨度較大且承受豎向荷載較大，轉(zhuǎn)換梁截面尺寸較大時(shí)，影響建筑正常使用功能。鋼筋混凝土桁架結(jié)構(gòu)具有高承載力和大跨度等優(yōu)勢(shì)，但其側(cè)向剛度大、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、施工難度大。一般而言，鋼筋混凝土桁架的經(jīng)濟(jì)適用跨度為15.0～30.0 m。張譽(yù)等[1?5]分別依托不同的背景工程，對(duì)不同形式的空腹桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了模型結(jié)構(gòu)的耗能及變形能力，認(rèn)為經(jīng)合理設(shè)計(jì)的空腹桁架結(jié)構(gòu)整體具有較好變形和耗能能力，桁架上弦桿和下弦桿屬于偏心受壓構(gòu)件。

近年來，由于鋼桁架結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，延性好等優(yōu)勢(shì)，并且地震荷載作用下良好的耗能能力，鋼桁架構(gòu)件可在工廠分段制作，現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝，施工質(zhì)量有保證，在解決大跨度轉(zhuǎn)換難題時(shí)，越來越受到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的青睞。

國(guó)內(nèi)采用大跨鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的典型工程實(shí)例有北京中國(guó)銀行總部大廈、南京徐礦國(guó)際商務(wù)中心、湖北省圖書館新館等[6?16]，其轉(zhuǎn)換鋼桁架結(jié)構(gòu)跨度在30.0～60.0 m，上托3～8 層框架結(jié)構(gòu)?？梢?，轉(zhuǎn)換鋼桁架結(jié)構(gòu)跨度較大，上托結(jié)構(gòu)層數(shù)較多，承受豎向荷載較大，鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來極大挑戰(zhàn)。

目前，針對(duì)高層建筑中大跨度鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的研究主要依靠理論計(jì)算，分析其整體和節(jié)點(diǎn)受力性能，試驗(yàn)研究成果較少。為檢驗(yàn)理論計(jì)算結(jié)果，蘇衛(wèi)東等[11]對(duì)重慶西永綜保區(qū)監(jiān)管大樓工程進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，提出進(jìn)一步提高支承筒體的延性構(gòu)造，加強(qiáng)轉(zhuǎn)換桁架弦桿與筒體連接；唐興榮等[2?3]對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空腹桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力及擬動(dòng)力試驗(yàn)研究，提出鋼桁架或型鋼混凝土桁架具有更好的延性性能；張石鈺等[17]對(duì)鋼桁架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了抗震性能試驗(yàn)，認(rèn)為桁架端部弦桿翼緣容易產(chǎn)生塑性變形，并最終會(huì)發(fā)生剪切破壞。

高層建筑中大跨度鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)受豎向荷載、地震荷載、施工荷載和基礎(chǔ)不均勻沉降等諸多因素影響，鋼桁架結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜。其中，施工措施和施工荷載施加順序等是保證轉(zhuǎn)換層施工質(zhì)量的關(guān)鍵。HE 等[18?20]采用有限元計(jì)算，分析轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)施工過程，受計(jì)算模型和手段限制，難以全面準(zhǔn)確反映施工過程中大跨轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的受力性能。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)大跨鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)施工試驗(yàn)研究甚少。為研究施工過程中大跨鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的傳力機(jī)制、應(yīng)變發(fā)展、承載能力及支座節(jié)點(diǎn)的安全可靠性等，本文作者針對(duì)浙江省電力調(diào)度大樓大跨度鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)展開施工全過程試驗(yàn)，以期為鋼桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

浙江省電力調(diào)度大樓位于杭州市西湖區(qū)，總建筑面積約8.5 萬m2，由東西2 棟塔樓組成，均屬于超限高層。尤其是東塔樓，平面和豎向均為特別不規(guī)則。主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)為89.9 m，寬為48.8 m，建筑高度為65.4 m，地上14 層，第15 層為構(gòu)架層，地下3 層，上部結(jié)構(gòu)采用型鋼混凝土框架?剪力墻結(jié)構(gòu)體系。建筑南側(cè)入口大廳高大寬敞，立面復(fù)雜，如圖1所示。

圖1 建筑南側(cè)視角效果圖Fig.1 Building renderings on the south

為實(shí)現(xiàn)建筑功能和立面效果，結(jié)構(gòu)以筒體剪力墻A，B 和C 為支座，在第10 和11 層設(shè)置三榀高8.0 m 轉(zhuǎn)換鋼桁架HJ1，HJ2 和HJ3，如圖2所示。三榀桁架跨度不等，桁架HJ1為單跨桁架，跨度為48.8 m，HJ2 和HJ3 為連續(xù)兩跨桁架，跨度分別為32.0+16.3 m 和38.5+16.2 m，桁架上托5 層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，屬大跨度高位轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。三榀不等跨桁架跨度大，承受豎向荷載差異較大，施工階段桁架的支承約束不確定等，明確鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在這些復(fù)雜因素下的傳力機(jī)制和承載性能，是工程設(shè)計(jì)與施工的技術(shù)難點(diǎn)。

圖2 第10層結(jié)構(gòu)平面圖Fig.2 10th floor structural plan

對(duì)東塔樓整體結(jié)構(gòu)計(jì)算分析可知，三榀鋼桁架跨度差異較大，受力及變形不同，桁架之間型鋼支撐和鋼筋混凝土梁板起到了協(xié)調(diào)空間變形的作用。若僅對(duì)單榀桁架進(jìn)行計(jì)算和試驗(yàn)，不能如實(shí)反映各榀桁架受力變形的相互影響；同時(shí)，考慮桁架HJ2和HJ3均為連續(xù)兩跨桁架，跨度、受力和變形較接近，故文中選取跨度和荷載差異較大的相鄰兩榀桁架HJ1和HJ2整體作為研究對(duì)象，考察階段施工對(duì)轉(zhuǎn)換鋼桁架結(jié)構(gòu)受力的影響。

1.2 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)鋼桁架轉(zhuǎn)換層的實(shí)際尺寸和試驗(yàn)條件，并保證模型邊界條件與實(shí)際情況相似[21?23]，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拈L(zhǎng)度方向取轉(zhuǎn)換鋼桁架及兩端支座剪力墻，寬度取鋼桁架HJ1和HJ2之間范圍，高度自桁架下0.5 m 至其上一層結(jié)構(gòu)，按1.0∶7.5 縮尺模型設(shè)計(jì)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傞L(zhǎng)度為9 570 mm，高為2 892 mm。

模型結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸按1.0:7.5 相似系數(shù)設(shè)計(jì)，鋼桁架采用Q235 鋼板焊接制作，剪力墻及桁架上部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。根據(jù)等強(qiáng)度原則確定剪力墻、型鋼混凝土柱和樓板中的配筋以及鋼構(gòu)件與混凝土交界面處的栓釘布置。結(jié)構(gòu)原型與模型主要構(gòu)件截面尺寸見表1。

表1 主要構(gòu)件截面尺寸Table 1 Section dimension of structural members

1.3 模型制作

1)將試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膬砷撹旒芨鞣?段在加工車間放樣制作，之后運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室拼接。鋼桁架拼接之后，對(duì)其校準(zhǔn)成型，消除制作誤差對(duì)試驗(yàn)的影響。

2)施工混凝土剪力墻到鋼桁架下弦，校準(zhǔn)鋼桁架支座剪力墻在同一水平標(biāo)高，即可安裝鋼桁架，并在兩榀桁架之間焊接H 型水平系桿，在弦桿和水平系桿上焊接栓釘。

3)澆筑鋼桁架轉(zhuǎn)換層混凝土，并按設(shè)計(jì)要求在桁架跨中設(shè)置混凝土后澆帶，端部預(yù)留后澆塊，以減小桁架上部結(jié)構(gòu)施工過程中混凝土剪力墻對(duì)桁架的約束，消除剪力墻的附加應(yīng)力。

4)待模擬施工加載完成后，再封閉鋼桁架跨中后澆帶和端部后澆塊。

1.4 試驗(yàn)加載機(jī)制

第1 階段加載試驗(yàn)。為檢驗(yàn)鋼桁架加工質(zhì)量，對(duì)單榀鋼桁架HJ1加載試驗(yàn)，控制結(jié)構(gòu)變形在彈性范圍，桁架鋼板的最大應(yīng)力在100 MPa以內(nèi)，得到單榀桁架的受力規(guī)律。為加載方便，將鋼桁架倒置，千斤頂由下向上加載，加載試驗(yàn)裝置見圖3(a)。5 個(gè)千斤頂同步加載，單個(gè)千斤頂每級(jí)加載5 kN，分級(jí)加載到200 kN，為施工荷載的1.33 倍，設(shè)計(jì)荷載的0.82倍。

第2階段加載試驗(yàn)。整體模型施工階段加載試驗(yàn)，如圖3(b)所示。模擬實(shí)際工程施工措施，此階段模型留設(shè)樓層跨中后澆帶和桁架兩端后澆塊。施工過程中恒荷載為結(jié)構(gòu)自重，活荷載取1.5 kN/m2，模擬施工加載采用鐵塊堆載。1 層、2 層和3 層堆載比例為1.00∶1.00∶2.71，分級(jí)堆載到總荷載量為472.0 kN。

圖3 不同階段加載試驗(yàn)裝置Fig.3 Loading devices of model at different stages

第3階段加載試驗(yàn)。整體模型使用階段加載試驗(yàn)，如圖3(c)所示，模型后澆帶及后澆塊封閉。使用階段加載采用5個(gè)豎向千斤頂通過5根分配梁加載到頂層10 個(gè)柱上。首先使用千斤頂加載替換部分模型上的鐵塊，然后加載到豎向設(shè)計(jì)荷載，測(cè)試結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)狀態(tài)下的性能，接著逐級(jí)加載，直至結(jié)構(gòu)破壞。

1.5 位移及應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

在試驗(yàn)加載之前，根據(jù)對(duì)鋼桁架整體受力和位移的分析結(jié)果，在鋼桁架HJ1 和HJ2 上布置了4類位移計(jì)及大量應(yīng)變片，如圖4所示。

圖4 鋼桁架測(cè)點(diǎn)布置Fig.4 Layout of monitoring points on steel trusses

在桁架HJ2上位移計(jì)布置情況見表2。

表2 桁架HJ2位移計(jì)布置Table 2 Section dimension of structural members

同時(shí)，在桁架關(guān)鍵受力桿件截面上對(duì)稱黏貼電阻應(yīng)變片，測(cè)試加載過程中應(yīng)變。另外，支承桁架的筒體剪力墻受力性能是整體轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)承載的重要部位，為研究其受力性能，在混凝土筒體側(cè)面布置了較多應(yīng)變片，尤其在筒體A靠近桁架HJ1一側(cè)。

2 單榀桁架HJ1試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)逐級(jí)加載過程中，由于控制了試驗(yàn)最終加載，桁架各測(cè)點(diǎn)豎向位移增量呈線性增加，整個(gè)桁架變形符合簡(jiǎn)支梁的受力變化規(guī)律，構(gòu)件表現(xiàn)出良好的線彈性受力性能。同時(shí)，采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000 對(duì)單榀桁架HJ1 進(jìn)行靜力彈性計(jì)算分析，得到桁架下弦位移以及上弦跨中應(yīng)力的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比如圖5所示。

圖5 桁架HJ1位移及應(yīng)力試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.5 Comparison of experimental displacement and stress of truss HJ1 with calculated value

在最終加載量時(shí)，桁架下弦跨中最大位移計(jì)算值為4.8 mm，比試驗(yàn)值偏大4.2%；桁架上弦跨中最大壓應(yīng)力計(jì)算值為89.1 MPa，比試驗(yàn)值偏大4.9%。試驗(yàn)值與計(jì)算值吻合較好，表明模型加工精度較高。同時(shí)，通過有限元計(jì)算分析，在桁架節(jié)點(diǎn)處未見明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象，表明桁架結(jié)構(gòu)形式及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造合理。

3 整體模型試驗(yàn)結(jié)果

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在模型試驗(yàn)加載過程中，當(dāng)荷載加載低于設(shè)計(jì)荷載793 kN時(shí)，模型結(jié)構(gòu)上無肉眼可見裂縫。

當(dāng)荷載加載為893 kN 時(shí)，在桁架弦桿及端部混凝土發(fā)現(xiàn)個(gè)別細(xì)微裂縫。

當(dāng)加載至1 296 kN 時(shí)，前期出現(xiàn)的細(xì)微裂縫加寬，并新增較多裂縫，繼續(xù)加載，裂縫發(fā)展較快。

當(dāng)荷載加載至1 760 kN 時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦_(dá)到極限承載力，鋼桁架上部混凝土框架柱中部發(fā)生脆性破壞，同時(shí)端部混凝土剪力墻上出現(xiàn)明顯水平彎曲裂縫。在加載試驗(yàn)過程中鋼桁架構(gòu)件沒有發(fā)生塑性變形。

結(jié)構(gòu)典型裂縫發(fā)展及破壞形態(tài)如圖6所示。由圖6可見：當(dāng)試驗(yàn)荷載大于設(shè)計(jì)荷載后，桁架跨中混凝土水平裂縫為弦桿和混凝土梁之間相對(duì)滑移裂縫，這是弦桿軸力增大致使兩者界面發(fā)生剪切破壞；在桁架端部混凝土剪力墻對(duì)上下弦桿有固定約束作用，剪力墻內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較大抵抗彎矩，因而剪力墻會(huì)出現(xiàn)水平彎曲裂縫。在整個(gè)加載試驗(yàn)過程中，直至鋼桁架上部混凝土柱達(dá)到承載極限出現(xiàn)脆性破壞，鋼桁架仍表現(xiàn)出良好的承載性能。

3.2 位移結(jié)果及分析

在模型施工階段的加載過程中，桁架HJ1 和HJ2下弦跨中最大撓度分別為1.99 mm和1.65 mm，分別為跨度1/3 408 和1/3 272。鋼桁架端部剪力墻設(shè)置了后澆塊，鋼桁架簡(jiǎn)支擱置在混凝土剪力墻上，將試驗(yàn)結(jié)果與端部下弦分別為簡(jiǎn)支、鉸接和固接3種約束條件模型的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)其受力和變形接近于下弦簡(jiǎn)支的約束條件模型。

在模型使用階段加載過程中，桁架端部后澆塊已經(jīng)封閉，桁架弦桿端部受到剪力墻固定約束，這樣桁架和混凝土結(jié)構(gòu)形成整體，共同承受外部荷載作用。在設(shè)計(jì)荷載作用下，桁架HJ1和HJ2下弦跨中最大撓度分別為2.38 mm 和1.95 mm，分別為跨度1/2 850和1/2 769。

在模型試驗(yàn)加載過程中，桁架下弦跨中的荷載?位移曲線如圖7所示。由圖7可見：在桁架中間后澆帶及端部后澆塊封閉以后，轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)整體剛度有所增強(qiáng)，但隨著試驗(yàn)荷載逐級(jí)增加，鋼桁架和混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)相對(duì)滑移和表面裂縫，結(jié)構(gòu)剛度會(huì)略有降低。

圖7 桁架跨中荷載?位移曲線Fig.7 Load?displacement curves of truss midspan

在模型施工階段加載過程中，在桁架上下弦端部布置的水平位移計(jì)測(cè)試桁架水平最大位移為0.20 mm，表明在施工荷載加載條件下，桁架相對(duì)剪力墻支座會(huì)發(fā)生水平滑動(dòng)，混凝土剪力墻僅承受豎向力，幾乎沒有水平力和彎矩作用，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。

試驗(yàn)測(cè)試桁架HJ2上下弦L-L1和N-N1的平面外相對(duì)側(cè)移。在施工荷載加載條件下，N-N1 最大相對(duì)側(cè)為0.41 mm，為高度的1/2 602；在使用荷載加載條件下，鋼桁架和混凝土結(jié)構(gòu)形成組合作用，桁架最大側(cè)移為0.49 mm，直至加載至結(jié)構(gòu)破壞之前，桁架側(cè)移量變化不明顯。可見，桁架平面外側(cè)向位移主要產(chǎn)生在施工階段，應(yīng)引起施工重視；但總體來看，整體結(jié)構(gòu)側(cè)向穩(wěn)定性可以滿足施工和設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)測(cè)試桁架HJ1 上弦相對(duì)混凝土梁的滑移。在使用階段，桁架HJ1的B和C位置點(diǎn)處產(chǎn)生的最大相對(duì)滑移為0.03 mm左右?？梢姡旒芘c混凝土之間相對(duì)滑移較小，表明弦桿和混凝土梁之間的連接抗剪栓釘起到了抗滑移作用，栓釘承受剪力較小，變形不大。

3.3 受力結(jié)果及分析

由模型試驗(yàn)各應(yīng)變片測(cè)試結(jié)果可以推算出各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力。從整體來看，桁架跨中上下弦桿和端部腹桿的應(yīng)力較大，上弦為壓應(yīng)力，下弦為拉應(yīng)力，與下支點(diǎn)相連的支座斜腹桿受壓，與上支點(diǎn)相連的支座斜腹桿受拉。模型試驗(yàn)在施工荷載、設(shè)計(jì)荷載及破壞前一級(jí)荷載條件下，桁架跨中和支座最大應(yīng)力見表3。

由表3可見：在桁架跨中，桁架HJ2上下弦桿應(yīng)力比HJ1稍大；但在桁架端部，HJ2端部弦桿的應(yīng)力比HJ1稍小，在設(shè)計(jì)荷載范圍內(nèi)，桁架桿件應(yīng)力水平較低；在試驗(yàn)最終加載的持荷期，桁架上托混凝土柱發(fā)生脆性破壞，但鋼桁架桿件未出現(xiàn)應(yīng)力屈服現(xiàn)象，表現(xiàn)出良好承載性能，符合“轉(zhuǎn)換層屈服破壞應(yīng)滯后于相鄰上部結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)思想。

表3 桁架跨中和端部最大應(yīng)力Table 3 Maximum stress in middle and end of truss MPa

桁架HJ2上下弦桿跨中的應(yīng)力隨加載的變化曲線如圖8(a)和(b)所示。由圖8(a)和(b)可見：弦桿上下表面的應(yīng)力接近，桿件主要承受軸向壓力或拉力；在樓層后澆帶及端部后澆塊封閉以后，轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)整體剛度增強(qiáng)，應(yīng)力增幅變緩，但隨著荷載逐級(jí)增加，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫而剛度下降，應(yīng)力增幅變快。

圖8 桁架HJ1和HJ2荷載?應(yīng)力曲線Fig.8 Load?stress curves of truss HJ1 and HJ2

桁架HJ1 端部腹桿BA1 支座處的應(yīng)力隨加載的變化曲線如圖8(c)所示。由圖8(c)可見：桿件主要承受軸向壓力，受端部固接影響，腹桿BA1 在下支點(diǎn)處承受較小彎矩1.1 kN·m。

3.4 組合截面作用

鋼桁架上弦桿通過抗剪栓釘與其上的混凝土梁連接，形成組合截面，共同承擔(dān)轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的豎向荷載。模型試驗(yàn)加載過程中，鋼桁架HJ1上弦支座及跨中組合截面應(yīng)變變化如圖9所示。

圖9 HJ1上弦組合截面應(yīng)變Fig.9 Composite section strain of HJ1 top chord

整體模型加載試驗(yàn)結(jié)果與單榀桁架HJ1加載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，鋼桁架上弦桿與其上部混凝土梁構(gòu)成組合截面梁，共同承受豎向荷載，截面為偏心受拉，受力變化規(guī)律基本符合平截面假定。

在桁架支座處上弦桿的應(yīng)變小于對(duì)應(yīng)位置處混凝土梁的應(yīng)變，跨中截面處，加載小于設(shè)計(jì)荷載時(shí)，弦桿與混凝土梁共同作用性能良好；加載增加，在弦桿和混凝土梁交界面處會(huì)產(chǎn)生滑移，弦桿應(yīng)變迅速增加，表明2 種截面的組合作用削弱。設(shè)計(jì)應(yīng)加強(qiáng)混凝土梁截面配筋及其與弦桿的連接構(gòu)造，增強(qiáng)截面組合作用。

3.5 混凝土筒體受力分析

桁架端部支座豎桿向上延伸一層，伸入上層鋼筋混凝土筒體內(nèi)，在支座受拉斜腹桿和上弦桿的共同作用下，桁架上弦支點(diǎn)會(huì)對(duì)筒體產(chǎn)生拉力作用；在支座受壓斜腹桿和下弦桿的共同作用下，桁架下弦支點(diǎn)會(huì)對(duì)筒體產(chǎn)生壓力作用。在施工荷載、設(shè)計(jì)荷載及破壞前一級(jí)荷載條件下，桁架上弦支點(diǎn)A，H和下弦支點(diǎn)A1，H1處對(duì)混凝土筒體的豎向力Fv和水平力Fh如圖10所示。

圖10 桁架對(duì)筒體豎向和水平作用力Fig.10 Vertical and horizontal forces of truss on tubes

在施工荷載作用下，桁架對(duì)混凝土筒體的水平作用力較小，HJ1上弦支點(diǎn)最大拉力為38.2 kN，表明在施工階段設(shè)置后澆帶可以控制桁架對(duì)混凝土墻體的水平力。后澆帶封閉之后，桁架端部受到混凝土筒體約束，在設(shè)計(jì)荷載下，筒體受到的水平作用力變化不大，但隨著荷載繼續(xù)增加，在混凝土筒體上產(chǎn)生的約束反力明顯增大。在試驗(yàn)加載到設(shè)計(jì)荷載的下一級(jí)荷載893 kN 時(shí)，桁架端部A處的筒體混凝土拉應(yīng)變達(dá)到89 με，發(fā)現(xiàn)細(xì)微裂縫。后期設(shè)計(jì)和施工應(yīng)加強(qiáng)桁架支座處的筒體剪力墻構(gòu)造，確保施工質(zhì)量。

4 有限元計(jì)算分析

有限元結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000 Ultimate 16.0.2可以通過增減部分結(jié)構(gòu)或荷載，定義施工分析序列，模擬鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)吊裝、樓層混凝土澆筑和后澆帶封閉等復(fù)雜施工工序，完成對(duì)結(jié)構(gòu)施工及使用階段的全過程模擬計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比[24]。

4.1 有限元模型

根據(jù)整體試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒂邢拊?jì)算模型，桁架桿件采用Frame桿單元模擬，樓板和剪力墻采用Shell 殼單元模擬。材料強(qiáng)度和彈性模量等參數(shù)按材性試驗(yàn)結(jié)果取值。

由整體模型試驗(yàn)分析結(jié)果，在試驗(yàn)加載到設(shè)計(jì)荷載之前，桁架上弦桿與其上部混凝土梁形成組合截面，因此，在計(jì)算模型中將桁架上弦桿按組合截面考慮。為考察桁架下弦端部支承約束，在施工階段桁架端部約束分別按簡(jiǎn)支和鉸接2種情況模擬計(jì)算。

根據(jù)整體模型試驗(yàn)加載機(jī)制，有限元計(jì)算按后澆帶封閉前后形成的施工階段和使用階段順序進(jìn)行模擬分析，2個(gè)階段施加荷載按模型試驗(yàn)加載機(jī)制進(jìn)行。

4.2 位移計(jì)算結(jié)果

桁架HJ1和HJ2在施工階段和使用階段的豎向位移試驗(yàn)值和有限元計(jì)算值對(duì)比如圖11所示。

由圖11可見：在施工階段桁架端部鉸接的計(jì)算結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果明顯偏小，桁架HJ1最大偏離約11%，桁架HJ2 左跨偏離約12%，右跨偏離約34%；而桁架端部簡(jiǎn)支的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，桁架HJ1 最大偏離約5%，桁架HJ2 左跨偏離約8%，右跨偏離約13%，表明在施工階段桁架下弦兩端簡(jiǎn)支更接近實(shí)際支承條件。

圖11 不同階段桁架位移試驗(yàn)值和計(jì)算值對(duì)比Fig.11 Comparison of experimental displacement of truss HJ1 and HJ2 with calculated value at different stages

在使用階段，桁架HJ1，HJ2 跨中最大計(jì)算位移分別為2.40 mm 和2.32 mm，比試驗(yàn)值偏大8%左右，兩者吻合較好，表明桁架上弦按組合截面計(jì)算是合理、可靠的。

對(duì)比兩榀桁架的最終變形，桁架HJ1為單跨桁架，桁架HJ2為連續(xù)兩跨桁架，中間支承在N1點(diǎn)，兩榀桁架在該對(duì)應(yīng)水平位置的變形差最大，計(jì)算值和試驗(yàn)值均為1.20 mm，從而導(dǎo)致上下弦樓板產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為1.64 MPa。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)桁架上下層樓板配筋進(jìn)行加強(qiáng)。

4.3 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

在施工荷載和設(shè)計(jì)荷載作用下，桁架跨中弦桿及端部腹桿受力較大，主要承受軸力，承受彎矩較小。

桁架HJ1下弦端部約束按簡(jiǎn)支考慮時(shí)其關(guān)鍵部位軸力試驗(yàn)值和計(jì)算值對(duì)比見表4。

表4 各階段桁架HJ1軸力試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Table 4 Comparison of experimental axial force on truss HJ1 with calculated value at different stages kN

可見，在桁架受力較大的上下弦桿跨中及支座腹桿處，桿件的軸力試驗(yàn)值和計(jì)算值吻合較好，偏差不超過10%。各桿件應(yīng)力水平較低，承載力富余較大。

在施工荷載下，桁架上弦跨中D點(diǎn)計(jì)算值大于試驗(yàn)值，下弦跨中D1點(diǎn)計(jì)算值小于試驗(yàn)值，且端部軸力方向相反，可能是由于實(shí)際桁架下弦端部支承是接觸面并有摩擦力作用，有限元計(jì)算按簡(jiǎn)支是理想化處理。

桁架HJ2內(nèi)力分布規(guī)律與桁架HJ1類似。

5 結(jié)論

1)大跨度鋼桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案合理，結(jié)構(gòu)受力性能可靠，符合“加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層及相鄰下部結(jié)構(gòu)，其屈服破壞應(yīng)滯后于相鄰上部結(jié)構(gòu)”的設(shè)計(jì)理念。

2)在施工荷載作用下，桁架變形較小，應(yīng)力較低，桁架端部產(chǎn)生了水平滑移，符合預(yù)期設(shè)想；同時(shí)，桁架產(chǎn)生較小的側(cè)向位移，應(yīng)引起施工重視。

3)桁架上弦桿通過剪力連接件與上部鋼筋混凝土梁形成組合截面，在加載初期尚能共同受力，但是在加載大于設(shè)計(jì)荷載時(shí)，組合作用明顯減弱，建議設(shè)計(jì)加強(qiáng)混凝土梁截面配筋及其與弦桿的連接構(gòu)造。

4)在設(shè)計(jì)荷載作用下，桁架端部混凝土筒體表現(xiàn)出良好承載性能，隨著荷載繼續(xù)增加，混凝土筒體的約束反力明顯增大并在筒體表面產(chǎn)生裂縫。建議設(shè)計(jì)加強(qiáng)混凝土筒體及其與鋼桁架的連接構(gòu)造。