交错桁架体系受力性能及抗震性能研究

交错桁架体系受力性能及抗震性能研究

交叉拱门系统（也称为交叉截面系统）发生在20世纪60年代中期。由安徽师范大学土木工程系和建筑系教师共同提出。作为一项研究项目，该项目得到了美国钢铁公司的补贴。该项目的初衷是研究适合建设更高的建筑，并节省材料结构。虽然这种体系最初是针对高层钢结构而研究的,但笔者认为,对多层和小高层的轻钢房屋而言,交错桁架体系同样是一种经济、高效、理想的结构体系,在建筑上有很明显的优势.然而这种体系在我国基本上没有得到应用,仅1999年在新疆库尔勒建造了一幢八层的房屋.造成这种状况的主要原因是我国对这种结构体系了解不多,规范没有针对这种体系提出工程上适用的计算方法,这给这种结构体系的推广应用带来了不便.本文旨在国内外已有研究的基础上,根据结构力学和地震工程的基本理论对交错桁架体系在竖向荷载、地震和风荷载作用下的受力原理和抗震性能做比较系统的探讨.此外,由于已有文献均未涉及桁架的抗震机制,因此本文将结合结构力学知识和结构非线性分析方法对此进行较为深入的分析和探讨,以帮助设计人员理解不同类型桁架的抗震机理,形成较为清晰的抗震概念.1交错桁架体系交错桁架体系的基本组成单元是房屋外侧的柱子(以下称为边柱)和跨度等于房屋宽度的桁架以及置于桁架上下弦的楼板.图1中,桁架高为房屋的层高,在横向的每列柱轴线上隔一层设置一榀,而在相邻柱轴线上错开布置,这样房屋的开间为两倍柱距,即为通常房屋的两倍开间.顶层不设桁架的柱轴线处可从下一层桁架的上弦节点上设立柱,以支持屋面板.交错桁架体系的主要建筑特色就是大开间、大进深.此外,对于临街、底层商用的综合楼,在底层需设置桁架的轴线处,从第三层桁架的下弦节点设置吊杆来支持第二层楼面,则可实现底层无墙无柱全空旷的内部空间.2在交错结构体系中的压力性能分析中2.1桁架和边柱的弯矩如图2(a)所示,竖向荷载通过楼板形成均布力,均布力可化成结点力,但在桁架的上下弦中产生次弯矩.桁架的其它杆件都只受轴向力,边柱给桁架提供R的支座反力,因此竖向荷载不会使边柱中出现水平剪力.由于桁架和边柱的连接一般视为铰接,因此在竖向荷载作用下边柱中也不会出现弯矩.2.2地震影响下的地震力性能分析2.2.1竖向对组合楼板抗拔脱验算笔者认为,交错桁架体系在竖向地震作用下的情形和竖向荷载作用的情况类似,边柱中同样不会出现水平剪力和弯矩,只不过随着竖向加速度方向的变化,竖向地震作用可能向上也可能向下,向下时和在竖向荷载作用下的情况是完全相同的,向上时对于层数较多的建筑,顶部几层的向上的拉力有可能超出结构向下的竖向荷载,这在具体设计时是应当考虑的.特别对于屋面板,竖向荷载小且没有间隔墙,在竖向地震作用下有可能脱离桁架,因而设计时对于压型钢板组合楼板应对连接压型钢板和梁的栓钉进行竖向地震作用下的抗拔脱验算,对于其它楼板则必须在楼板内设置好预埋件并对楼板进行竖向地震作用下的抗冲切(来自预埋件)验算.构造上可偏保守一些.2.2.2楼板在水平力作用下的结构反应机构在水平地震作用下,因为交错桁架体系的主要受力单元是桁架、边柱和楼板(如图1所示),并且由于桁架和楼板在其各自的平面内具有很大的刚度,边柱和它们相比就好比一根根系杆,故边柱几乎不承担水平力,因此在形成桁架的计算简图时通常把桁架的端部支承视为竖向链杆(如图2(b)所示).但由于有桁架下弦的楼板提供侧向支持,上弦楼板在水平力作用下并不会使如图2(b)所示的结构形成机构.由图2(b)还可以看到,下弦楼板提供的方向相反的力与上弦楼板传来的水平力形成的力偶矩可以由支座提供的反向力偶矩来抵消.故笔者认为,体系受水平地震作用时,楼板在体系中起到了两点作用:作为桁架下弦的水平支撑起水平链杆的作用,使桁架成为一个基本简支构件;在上一榀桁架和相邻轴线的下一榀桁架之间起“纽带”作用,使结构承受的水平荷载得以沿“桁架上弦→楼板→桁架下弦→…”的路径曲折地传到基础.因此,在水平地震作用下交错桁架体系的边柱主要承受一对方向相反的轴向力,即在一侧边柱上产生压力,在另一侧边柱上产生拉力,而在边柱中产生的剪力一般是很小的,在边柱中几乎不产生弯矩或仅产生很小的弯矩.由以上分析我们也可以看到,交错桁架体系的各单元具有很好的工作协同性,因此不难得知,这种体系对建筑平面布置有一定的要求.最理想的平面是矩形平面,其次是圆弧形平面.当然,如在短边尺寸不太小的情况下,由矩形组成的T形或L形平面都是可以的.另外,为保证传力路径的实现,要求楼板具有足够的水平抗剪刚度.2.3桁架上下弦的传递在风荷载作用下,由于实际工程中交错桁架体系的桁架上下弦和边柱都是相连的,房屋迎风面上的风压力和背风上的风吸力通过桁架上下弦与边柱的连接传递给桁架的上下弦,此后的受力情形和在水平地震作用下的情况完全相同.2.4多层交错桁架体系由上述分析可知,无论在竖向荷载还是在水平荷载作用下,交错桁架体系都是一个轴力体系,除在竖向荷载和竖向地震作用下桁架上下弦中产生次弯矩外,整个体系以受轴力为主,边柱中的剪力一般很小,几乎没有弯矩或仅有很小的弯矩.因此,交错桁架结构的边柱采用钢管混凝土柱将产生显著的经济效益.多层交错桁架体系房屋常采用H型钢柱或别的形式的柱,此时的结构在平面布置时应把柱的强柱方向沿纵向布置,以提高结构在纵向的抗侧能力.3交错结构系统的抗疲劳性能分析3.1交错桁架体系由交错桁架体系的受力特点可以推知,这种体系在小震时的层间位移角应该是很小的.文献对一20层的交错桁架体系进行了动力时程分析,发现在小震作用下最大层间位移角为1/909,远远小于《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99——98所规定的层间位移角限值1/250.交错桁架体系的这一受力特点对于减轻房屋震后损失很有好处,因为结构在地震作用下层间位移角越小,房屋的震害就越轻,对房屋造成的经济损失也就越低,这也正是这种结构体系优于其它结构体系,如框架结构的地方.框架结构的梁和交错桁架结构的桁架不一样,是受弯构件,在水平地震作用下,框架梁柱内产生的弯曲变形使结构产生较大侧移,在大震作用下由于一些梁柱节点产生塑性铰,使结构产生更大的侧移.3.2大震作用下的层间位移角交错桁架结构在大震作用下也可能出现塑性铰.由于桁架的上下弦一般采用H型钢,刚度较大,不易形成塑性铰,而桁架其它各杆由于实际连接时采用焊接连接,桁架节点存在一定刚性,因此桁架腹杆和斜杆的两端,特别是混合型桁架中部无斜杆节间附近的斜杆和腹杆两端容易出现塑性铰.但由于在水平地震作用下边柱中一般只存在很小的弯矩,刚度降低很少,因此整个结构在大震作用下的层间位移角仍然比较小.文献对20层的交错桁架体系进行的大震作用下的动力时程分析,得到结构的最大层间位移角为1/139,远远小于《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99——98所规定的大震下的层间位移角限值1/70.3.3无斜杆节段上面提到,桁架的上下弦一般采用H型钢,H型钢抗弯刚度较大且有斜杆和腹杆支撑,故不易屈曲也不易形成塑性铰,桁架其它各杆(腹杆和斜杆)由于实际连接时往往采用焊接连接,节点存在一定刚性,因此桁架腹杆和斜杆在大震作用下可能屈曲也可能形成塑性铰,但到底是屈曲还是形成塑性铰则与桁架的类型有关.具体地说,对于受拉单斜式腹杆桁架(即帕氏桁架,亦即Pratt桁架,如图3(a)所示),因为斜杆总能以轴力的形式很好地传递水平力,故斜杆在大震作用下最可能以屈曲的方式失效,斜杆屈曲后,该节间成为无斜杆节间,剩下的水平力将使无斜杆节间及其邻近节间产生局部弯曲效应(这与下面混合型桁架无斜杆节间的受力情形完全一样),由于设计时帕氏桁架的腹杆一般按二力杆进行分析和计算,杆件断面较受弯构件考虑时要小,故在局部弯矩作用下无斜杆节间附近的腹杆很快全部屈服.桁架其它节间的情形可依此类推.因此帕氏桁架的滞回性能很差,往往由于斜杆和腹杆提前屈曲或较早出现非弹性变形使承载力和刚度突然降低.对于无斜杆桁架(即华伦氏桁架,亦即Vierendeel桁架,如图3(b)所示),因为各腹杆是以剪力的形式均匀地传递水平力,设计时按受弯杆件计算,因此在大震作用下虽然腹杆两端可能形成塑性铰,但整个桁架的滞回性能很好,且屈服分布均匀.这与美国对位于Hyward断层附近的一幢采用华伦氏桁架式框架梁的六层框架进行的弹塑性时程分析结果是一致的.混合型桁架(由帕氏桁架和华伦氏桁架混合组成,如图3(c)所示)因为无斜杆节间上下弦存在的竖向剪力使无斜杆节间及邻近节间产生局部弯曲效应,因此在大震作用下往往是无斜杆节间附近的腹杆两端首先出现塑性铰,随着塑性铰的进一步发展,塑性铰沿“腹杆杆端→斜杆杆端→腹杆杆端→…”的路线依次向桁架的两端扩展,故混合型桁架的抗震性能非常好,并有层次分明的抗震防线感.混合型桁架中部一个或几个节间采用无斜杆节间,不但使结构变得经济,还为办公、宿舍和旅馆建筑在中部位置设置走廊和门洞提供了方便,但不应把混合型桁架视为华伦氏桁架和帕氏桁架的简单几何组合.从机理上讲,正是因为混合型桁架中部存在无斜杆节间,才使其屈服机制既不同于帕氏桁架也不同于华伦氏桁架.因此可以说,无斜杆节间是混合型桁架在大震作用下具有“逐级屈服”性质的引发口,故混合型桁架的无斜杆节间应设在桁架的中部,并且由于竖向荷载使桁架端部存在较大的剪力,因而从这一点讲无斜杆节间也不应该设在桁架的端部.有些工程将走道设在桁架端部,设计上必须避免.4交错桁架体系1)无论在竖向荷载还是在水平荷载作用下,交错桁架体系都是一个轴力体系,除在竖向荷载和竖向地震作用下桁架上下弦中产生次弯矩外,边柱中的剪力一般很小,几乎没