（道路与铁道工程专业论文）错列桁架钢木混合结构多层住宅结构性能研究.pdf

摘要 错列桁架体系钢木混合结构住宅是一种新型的绿色、实用住宅，本文对错列桁架钢木 混合结构多层住宅的结构性能进行了研究。 本文首先对错列钢木混合桁架进行设计研究。在初步布置钢木杆件的基础上，研究在 桁架跨度一定时，桁架节间数目不同、空腹节间位置不同时桁架杆件在竖向荷载作用下的 内力变化，以及桁架腹杆的合理布置形式。结果表明桁架钢木杆件的初步布置方案合理可 行；需在非跨中布置空腹节间时，可两边对称布置腹杆或适当增加节间数目。 为了研究这种体系的结构性能，作者采用s a p 2 0 0 0 软件对一个六层错列桁架钢木混 合结构住宅方案进行了受力分析。分析该结构体系在竖向荷载、风荷载及水平地震作用下 的内力、竖向位移和侧向位移；分析结构的自振特性，并验算了结构的剪重比。结果表明 该体系是一种受力性能优异的结构体系。 本文最后对影响这种住宅体系受力性能的主要因素进行了分析，主要包括桁架形式、 桁架高度、连接类型、柱距、建筑长宽比、高宽比、结构材料等。结果表明：该结构适用 于狭长型平面的多高层建筑；错列钢木混合桁架的空腹节间位置对桁架跨中挠度及结构体 系在水平荷载下的结构层间位移有显著影响；错列桁架钢木混合结构住宅体系的抗震性能 优于相同体系的钢结构。 关键词：多层住宅；错列桁架；钢木结构 r e s e a r c ho nt h es t r u c t u r eb e h a v i o ro fm u l t i s t o r yb u i l d i n go f s t a g g e r e dt r u s ss t e e l t i m b e rc o m b i n e ds t r u c t u r e a b s t r a c t s t a g g e r e dt r u s ss t e e l - t i m b e rc o m b i n e ds t r u c t u r ei san e wt y p ef o rs u s t a i n a b l ea n dp r a c t i c a l r e s i d e n t i a ls y s t e m 1 1 1 et h e s i s a n a l y s e st h e s t r u c t u r eb e h a v i o r o fm u l t i s t o r yb u i l d i n go f s t a g g e r e dt r u s ss t e e l t i m b e rc o m b i n e ds 缸u c t u r e 1 1 1 et h e s i sf i r s tm a k e sas t u d yo nt h ed e s i g no fs t a g g e r e ds t e e l - t i m b e rt r u s s o nt h eb a s i so f t h ei n i t i a ll a y i n g - o u to fs t e e l - - t i m b e rm e m b e r s , t h i sp a p e r , a c c o r d i n gt oac e r t a i nt r u s ss p a n , a n a l y z e st h ev a r i e t i e so ft h el o a db e a r i n gb e h a v i o ro ft h et r u s sf r o mt h ed i f f e r e n tn u m b e ro ft h e p a n e l ，t h ed i f f e r e n tl o c a t i o no ft h ev i e r e n d e e lp a n e l ，a n dt h ed i f f e r e n ta r r a n g e m e n t so fw e b m e m b e r s r e s u i t ss h o wt h a tt h ei n i t i a ll a y o u ts c h e m eo fs t e e l t i m b e rm e m b e r so ft h et r u s si s r e a s o n a b l ea n df e a s i b l e i ta l s og i v e st h ef e a s i b l es t y l e sf o rw e bm e m b e r sa n dt h ep r o p e rp a n e l n u m b e ro ft h es t a g g e r e dt r u s ss t e e l t i m b e rc o m b i n e ds y s t e m f o rr e s e a r c h i n gt h es t n l c t i 】r eb e h a v i o ro ft h i ss y s t e mi nm u l t i s t o r yr e s i d e n t i a lb u i l d i n g ，t h e t h e s i sa n a l y s e st h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fas i x s t o r ys t a g g e r e dt r u s ss t e e l - t i m b e rc o m b i n e d r e s i d e n t i a lb u i l d i n gu s i n gs a p 2 0 0 0 1 1 1 et h e s i sa n a l y s e st h ei n t e r n a lf o r c e ，v e r t i c a ld i s p l a c e m e n t a n dl a t e r a ld i s p l a c e m e n to ft h es t r u c t u r eu n d e rg r a v i t yl o a d s w i n dl o a d sa n dh o r i z o n t a ls e i s m i c l o a d s i ta l s oi n c l u d e st h es e l f - v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n ds h e a r - w e i g h tr a t i oo ft h es 臼1 l c t i l r e i t c a nb ec o n c l u d e dt h a tt h i ss t r u c t u r es h o w e de x c e l l e n tm e c h a n i c a lb e h a v i o r f i n a l l y , t h et h e s i sa n a l y s et h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r so ft h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h i s s 缸1 l c t l l r e t h ef a c t o r sc o n s i d e r e dm a i n l yi n c l u d ea sf o l l o w ：t r u s sf o r m t r u s sh e i g h t c o n n e c t i o n 够p e ，c o l u m ns p a c i n g ，b u i l d i n gl e n g t ht ow i d t hr a t i o ，b u i l d i n gh e i g h tt ow i d t hr a t i o ，s t r u c t u r a l m a t e r i a l s ，a n ds oo n r e s u i t ss h o wt h a tt h i ss t r u c t u r ei ss u i t a b l ef o rm u l t i s t o r yb u i l d i n go r 1 1 i 曲一r i s eb u i l d i n go fn a r r o wp l a n e t h el o c a t i o no ft h ev i e r e n d e e lp a n e lh a sg r e a t e ri n f l u e n c eo n t h em i d s p a nd e f l e c t i o no ft r u s sa n dt h es t o r yd r i f to ft h i ss t r u c t u r eu n d e rh o r i z o n t a ll o a d t h e s e i s m i cb e h a v i o ro ft h i ss n u c t u r ei sb e t t e rt h a nt h a to fs t e e ls t r u c t u r e k e yw o r d s ：m u l t i s t o r yr e s i d e n t i a lb u i l d i n g ；s t a g g e r e dt r u s s ；s t e e l - t i m b e rc o m b i n e ds 仃u c t u r e i i 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者c 本人：蒡耍巾巾莎月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容 保密口，在 年解密后适用本授权书本学位论文属于不保密影 ( 请在以上方框内打“ ”) 学位论文作者( 本人签名) ： 指导教师( 本人签名) ： 2 棚年 ， 硼年 l 6a | j 日 多月f7 日 致谢 本文是在导师郑晓燕教授的悉心指导下完成的。从论文的选题到框架的搭设，到论文 难点和关键问题的解决，直到最后论文的修改与成文，郑老师倾注了大量的心血。在攻读 硕士学位的三年时间里，郑老师在学习和科研上始终对我严格要求，不断鼓励和激励我， 为我提供了参与科研的机会，培养了我的学习和科研能力，帮助我顺利地完成了硕士学业。 在生活上，郑老师如慈母般给予了我无微不至的关心和帮助，在我的成长过程中，从郑老 师身上学到了很多做人、处事的道理。在此论文完成之际，谨向郑老师表示最衷心的感谢! 衷心地祝福郑老师和家人平安健康、幸福快乐! 感谢同学曾丽娟硕士、杨骏硕士、赵亮硕士、陆荣喜硕士、吴曼硕士等，谢谢他们对 我学习上的帮助和鼓励，深深地祝福他们明天会更好! 感谢同宿舍姐妹秦月波硕士、马青娜硕士、石迪硕士、戈丹硕士，感谢她们对我生活 上的照顾和关爱，和她们在一起的日子是我最快乐的时光! 特别感谢我的父亲母亲，为了我的学业，二十多年来他们一直含辛茹苦，一如既往地 疼爱、鼓励我，使我顺利完成了硕士学业。 最后，向审阅本文的老师和参加论文答辩的专家表示诚挚的感谢，谢谢他们指出的论 文不足和提出的意见! 范亚坤 2 0 0 9 年5 月 1 1 引言 第一章绪论 我国传统住宅结构形式采用木结构、砖混结构、钢筋砼结构等，二十世纪八十年代出 现了多层钢结构住宅。砖混结构、钢筋砼结构所用材料费时、费工，存在对生态环境破坏 大、长远经济效益差等一系列问题。随着住宅建筑可持续发展和技术集成化、产业化的要 求，钢结构和木结构在我国有着较为广泛的应用前景。 1 2 错列桁架钢结构体系的国内外研究与应用现状 1 2 1 钢结构住宅的应用与发展 钢结构是一种高效、快速、经济、可持续发展的环保型建筑结构。采用钢结构大大节 约了施工时间且施工不受季节影响，增大住宅空间使用面积，节能效果好，抗震性能好， 具有较高的性能价格比，可避免钢筋混凝土湿式施工所造成的环境污染和噪声污染，便于 拆卸回收和重复使用，同时也解决了混凝土建筑物报废时难以拆除和垃圾处理困难这一世 界性难题【l 】。 钢结构住宅已经在许多发达国家广泛应用，国外6 0 以上的高档住宅都采用了钢结 构。而我国由于以前钢产量不足，只是在一些高层公共建筑上使用了钢结构，在住宅上应 用的还很少。目前，我国与发达国家相比在许多方面存在着较大的差距，我国的建筑用钢 总量约占全国钢产量的2 0 - 2 5 ，而发达国家则占3 0 以上，如美国和日本均已超过 5 0 。在我国，钢在建筑中主要用于钢筋砼中钢筋、钢铰线、钢丝以及门窗等，而钢结构 用钢则占其中1 0 左右1 2 】。我国钢产量自1 9 9 6 年突破1 亿吨大关位居世界首位以来，2 0 0 1 年已达到1 5 亿吨，2 0 0 3 年更是达到2 1 亿吨，连续八年排名世界第一。现在马钢、莱钢 等钢铁厂已经可以生产过去长期不能生产的h 型钢，年生产能力可达1 4 0 万吨，轻钢结 构用的彩色钢板年生产能力已达7 0 万至9 0 万吨【l j 。另外我国劳动力资源丰富，价格低廉， 钢铁产品的生产成本一般要低于西方发达国家，形成了钢材供过于求的新形势，再加上高 效的焊接材料的应用，防腐、防火等新工艺、新材料的开发，都为我国发展建筑钢结构事 业创造了良机。因而在我国发展钢结构住宅不仅必要而且可能。为促进我国钢结构住宅产 业化发展，建设部在1 9 9 7 年1 1 月发布了中国建筑技术政策，明确提出积极发展钢结 构建筑的方针：发展建筑钢材，增加3 4 5 m p a 高韧、可焊、耐腐蚀的新钢种；发展建筑钢 结构，加速推广定型化的轻型房屋钢结构体系；提高施工工艺。2 0 0 1 年底建设部又发布 了钢结构住宅建筑产业化技术导则，建设部科技司组织3 0 项钢结构住宅建筑体系及关 键技术研究课题，开展试点工程，并筹备编制钢结构住宅技术规程。建设部住宅产业 化促进中心也正在组织编制低层钢结构住宅技术规程弘j 。 在这些措施有力地推动下，我国钢结构住宅得到了很好的开发与应用，全国各地相继 1 建成了一批钢结构住宅试点工程，如上海中启集团建设的上海中福城项目，天津建筑设计 院和天津建工集团分别开茇的1 1 层钢管混凝土住宅，长沙远大的集成住宅，北京金融街 1 2 层钢结构金宸公寓等。 ( 1 ) 我国多层、小高层锕结构住宅的试点从天津开始，采用三种不同结构、不同墙体 材料、不同施工方法的方案来启动2 0 万平方米以上的规模试点工程。其一采用方钢管混 凝士柱大开间结构形式其二采用铜骨桁架结构形式，其三采用钢管混凝土结构形式，三 种结构的平方米用钢量都小于钢筋混凝土结构的用钢量。 ( 2 ) 上海现代房产实业有限公司建造了几万平方米低层和高层轻钢结构住宅试点工 程，采用耐火、耐腐蚀、强度高的磷铜稀土钢川。低层住宅采用冷弯矩形钢管柱和帽型冷 弯型钢组成的框架体系：而高层住宅采用矩形钢管混凝土柱和帽型冷弯型钢组合粱组成的 框架体系。楼板采用密布燕尾钢筋混凝土组合板。 f 3 1 山东莱钢樱花园小区钢结构节能住宅示范工程，采用h 型钢铜结构和3 种新型节 能墙板材料总体节能效果达5 0 以上。1 号楼为小高层住宅楼地下1 层地上1 2 层， 建筑总高度3 48 m 。采用钢框架现浇混凝土剪力墙结构围护材料采用水泥轻质保温防 水墙板；北4 号楼为多层住宅楼，地上6 层，采用钢框架支撑结构围护材料采用加气混 凝土砌块和a l c 板。 ( 4 ) 安徽省马鞍山市于2 0 0 2 年4 月动工建设一采用h 型钢的1 8 层钢结构住宅楼，以 工厂化生产的钢粱、钢柱为骨架，同时配以新型轻质、保温、隔热、高强的墙体材料作为 围护结构建造而成。 ( 5 ) 江苏江阴京江轻钢房屋公司试验楼，5 层轻钢框架结构，a l e 板做外墙，柱下独 立基础，结构用钢量约5 0 k g m 。 ( 6 ) 北京西三旗水电工程宿舍为6 层h 型钢剪力墙结构体系，压型钢板组合楼面， 自承重砌体外墙，钢筋混凝土独立基础加连系梁，防火为防火涂料加砂浆覆面。总建筑面 积2 5 3 2 平方米，有效工期1 2 0 天，其中钢框架为l o 天工程造价1 0 0 0 元，平方米。 钢结构住宅包括钢结构承重骨架、外围护墙和内隔墙体系以及楼板体系。其中，钢结 构承重体系主要可分为钢框架体系、钢支撑框架体系、钢框架砼剪力培体系、错列桁架体 系、巨型结构加子结构体系等。其中，错列桁架结构体系是一种经济、实用、高效的新型 结构体系，它主要适用于中高层住宅、旅馆、医院、办公楼等具有狭长平面的钢结构房屋， 发展这种结构体系符合我国住宅建设的发展方向。这 种体系在美国、澳大利亚等国已经有不少应用，但是 在我国却基本上还是空白。 错列桁架结构体系最早是由美国麻省理工学院在 美国钢铁公司的赞助下开发的一种新型结构p 】，基本结 构组成是柱子、平面钢桁架和楼板，如图1 - 1 所示。柱 子沿房屋周边布置中间无柱，桁架的高度与层高相 同，长度与房屋宽度相同，且桁架在相邻柱子上为上 下层错列布置，楼板一端搁置在桁架的上弦，另一端圈1 - 1 镑列椿架结构体系 则搁置在相邻桁架的下弦【6 1 。这样，在建筑上可获得两倍柱距的大开间，便于建筑平面自 由布置，具有良好的适应性；在结构上便于采用小柱距和短跨楼板，使楼板厚度减小，减 轻结构自重。在底层，若需获得无柱大厅，可在二层设吊杆支承楼面。桁架腹杆可采用单 斜杆形、人字形等各种腹杆布置方案。为便于连通相邻房间，桁架跨中节间可不设斜腹杆， 亦可做成空腹桁架。桁架杆件截面可根据桁架跨度采用焊接t 型、h 型或方管截面。 错列桁架结构体系在水平荷载下像一个悬臂梁耵】，所有柱子都布置在周边，其作用如 梁的翼缘，而柱间桁架相当于悬臂梁的腹板，因而横向刚度大，侧向位移小。因为不设中 间柱，在房屋整个宽度和两倍柱距范围形成无柱空间，其中可以进行建筑的自由布置。楼 板如一根深梁，起着将水平剪力传递给相邻桁架的横膈板作用，虽然桁架是错列布置的， 但其受力性能与一个竖向平面内连续布置桁架类似。在垂直荷载和风荷载作用下，柱子中 产生的弯矩小，主要承受轴力。因此可使工字形截面柱的腹板与桁架平面垂直，这样的柱 子朝向可以提高房屋的纵向刚度。由于整个结构大部分杆件承受轴力，仅桁架弦杆存在较 明显的二阶弯矩，节省了用钢量，并可采用高强钢材制作，使结构重量大大减轻，从而使 基础的处理也可以相对简单些。 错列桁架体系的围护结构宜采用轻质材料，以减轻结构自重。一般采用压型钢板加玻 璃棉或岩棉等轻质保温、隔音层组成的复合墙体，且可将桁架包住。当外墙采用玻璃幕墙 结构时，结合桁架杆布置可获得独特的立面设计效果，目前大量国外的工程实例中外墙很 多都采用了玻璃幕墙结构。 1 2 2 国外关于错列桁架钢结构体系的研究与应用现状 2 0 世纪6 0 年代中期，错列桁架结构体系首先由麻省理工学院在美国钢铁联合企业的 资助下进行了最早的研究，包括对其建筑平面、立面布置及建筑构造处理等建筑问题的研 究1 5 1 。 其后，j b s c a h l z i 提出了双平面支撑框架力学模型。他提出由于楼板的刚性隔板作用， 使位于两个相邻竖向平面内交错桁架的性能就像位于一个竖向平面一样。于是他将两相邻 竖向平面结构加在一起进行力学分析，简化了结构的计算瞄j 。 1 9 7 2 年，r e g u p t a 等人对交错桁架结构在地震作用下的弹性和弹塑性动力反应进行 了研究。他们从分析交错桁架结构的静力特性入手，将桁架进行等效简化。并假定塑性铰 只出现在桁架的空腹节间弦杆上，其余杆件均处于弹性状态，弦杆采用双线性恢复力模型。 p g u p t a 等人采用1 9 4 0 年1 5 倍e 1c e n t r o 南北波，对某2 0 层交错桁架结构进行了计算。 1 9 7 4 年，r d h a n s o n 等人提出了相应的抗震设计方法。研究表明，交错桁架结构体系 具有良好的耗能能力和延性一n j 。 1 9 8 3 年，r e l e f f e r r 对交错桁架结构在横向水平风荷载作用下的变形性能进行了研 究，并提出了一种计算侧移的手算方法瞪j 。 交错桁架结构体系最初于1 9 6 7 年用于美国明尼苏达圣保罗的老年公寓【l ，自那时以 后建造了很多平面窄长的1 5 - - 2 0 层的公寓、旅馆和住宅，有时办公楼也采用这种方案。 加拿大卡尔加里的虹谷旅馆也采用了交错桁架结构体系，该工程为交错桁架体系在加拿大 的首次应用。1 9 8 6 年，美国新泽西州大西洋城建造了4 3 层的国际旅游饭店，开创了交错 桁架结构体系应用于1 0 0 米以上建筑的先例。该工程总高度为1 2 8 米，房屋宽度为2 1 3 5 米。该项目采用钢框筒结构、混凝土结构、混凝土框架剪力墙结构与错列桁架结构四 种设计方案进行比较，造价比为1 4 ：1 1 ：1 2 5 ：1 ，最终采用了错列桁架体系。1 9 9 8 年3 月在美国拉斯维加斯建成的3 8 层有2 6 0 0 个房间的阿拉汀旅馆，在方案设计阶段与拉斯维 加斯通常采用的现浇混凝土结构进行比较，在方案评议( 包括防火和装修) 时，表明错列 桁架能节约费用和缩短工期，最后以最经济方案被业主选中u 羽。错列桁架结构体系主要 适用于中、高层住宅、旅馆、办公楼等平面为矩形或由矩形组成的钢结构房屋。 1 2 3 国内关于错列桁架钢结构体系的研究与应用现状 错列桁架结构体系在国外已经有四十多年的发展历史，有较多的工程实践经验和研究 成果。与国外这方面的研究蓬勃开展相比，国内的研究才刚刚起步。 湖南大学周绪红、莫涛等利用有限元方法，分析了错列桁架结构体系的静、动力特征 以及不同桁架布置形式对整体结构受力性能的影响，表明该体系是一种高层钢结构建筑的 理想结构体系1 1 3 1 随后周绪红、莫涛等又将错列桁架体系与钢框架进行对比分析，得出了错列桁架结构 体系无论在建筑上还是结构上都明显优于对比框架的结论，表明错列桁架结构体系是一种 灵活、大空间和受力性能优良的结构体系1 1 引。 湖南大学潘英、周绪红等对错列桁架体系的抗震性能进行了分析，建立了单向水平地 震作用下错列桁架体系协同分析的力学模型。在动力时程分析的过程中考虑了构件的剪切 变形，并在单元水平上考虑了几何非线性。通过错列桁架体系设计实例的弹性和弹塑性时 程分析，表明了错列桁架体系层刚度均匀，耗能潜力大，保证了结构在强烈地震作用下承 受竖向重力荷载的能力，并提供了多道抗震防线，具有很好的抗震性能i j 川。 东南大学的康信江、王恒华对错列桁架结构体系的静力性能和设计方法进行了初步的 研究，验证了结构具有良好的弹塑性性能，并提出了错列桁架结构体系在水平荷载作用下 的侧移计算方法，提出了结构体系柱子计算长度的计算方法以及结构体系的剪力连接设计 方法f 1 6 1 。 长沙交通学院的黄宇峰、刘永健认为错列桁架结构体系的楼板与钢桁架间的滑移对错 列桁架结构体系的承载能力及变形有极大的影响，不考虑滑移就不足以真实地反映出楼板 与钢桁架的交互作用。他们根据基本弯曲理论，从理论上分析了错列桁架结构体系的楼板 与钢桁架间的滑移，建立了滑移量s 与截面剪力v 之间的微分方程组，并求出了一典型 错列桁架结构体系的楼板与钢桁架间滑移沿桁架的理论分布i j7 。 清华大学对一七层错列桁架钢结构住宅方案进行了受力分析，并在分析影响该住宅体 系受力性能因素的基础上，得到优化的结构初步设计，总结了错列桁架钢结构住宅体系的 特点和设计要点u 引。 大连理工大学在保证桁架结构有足够平面外的侧向支撑情况下，给出了考虑杆件失稳 的桁架结构可靠度计算方法，建立了正态随机变量和非正态随机变量下的结构可靠度计算 4 模型以及基于可靠度和结构功能要求的桁架结构优化模型，系统讨论了不同结构型式的桁 架结构对计算结果的影响【旧】。 1 3 木结构体系的国内外研究与应用现状 1 3 1 轻型木结构的特点 木材作为一种建筑材料，轻质高强、抗震性好、经济、易加工、布局灵活、美观、环 保，并具有亲和力和暖意，是美国、加拿大、芬兰、日本等国住宅结构的首选建筑材料， 因而木结构是一种绿色结构体系。轻型木结构是北美主要的建筑形式，是由木构架墙、木 楼盖以及木屋盖系统构成的三层及三层以下，结构构件的中心间距不超过6 0 0 m m ，每层 建筑面积不超过6 0 0 m 2 的居住建筑结构体系 2 0 l 。用于住宅、低层商业建筑、学校、医院以 及宗教等公共建筑。这种结构体系具有很好的结构性，足够的强度和刚度储备，极好的抗 震性能，良好的防火和防潮性能，现代化标准化生产的结构及连接件使得施工便捷，工期 短。 1 3 2 国外关于木结构体系的研究与应用现状 轻型木结构在北美住宅体系中处于主导地位，过去一百多年中建成的独户建筑9 5 是轻型木结构，9 7 年美国新建的约1 1 3 8 万幢别墅9 0 为轻型木结构，在3 3 8 万幢的多 层住宅中，大多也采用轻型木结构。日本目前新建的住宅，有半数以上是轻型木结构。在 北欧的芬兰和瑞典，住宅有9 0 是一层或二层的轻型木结构【2 1 1 。轻型木结构住宅在北美 特别是加拿大的近5 0 多年中得到了成功的发展，带动了现代木结构理论和技术的迅速发 展，尤其随着现代科学技术和计算机的发展，木结构从取材、加工、设计、安装一系列相 关制作和建造过程中均融入了高科技成分，使其更加为人们所喜爱。在加拿大，轻型木结 构住宅的工业化、标准化和配套安装技术已经相当成熟【2 2 1 。 轻型木桁架是轻型木结构中用得很多的结构件，其承载能力关系着整个结构的安全性 能。国外的一些研究机构对轻型木桁架做过大量的研究，研究表明轻型木桁架提供了一个 可靠的、经济的木结构系统。由于轻型木桁架在材料特性、体系性能以及失效模式等方面 存在较大的不确定性，国外对于轻型木桁架的研究基于可靠度理论b 3 11 2 4 。轻型木桁架在 北美应用最为广泛，其结构分析和设计理论较为成熟。例如加拿大和美国已经形成一套成 熟的结构分析和设计标准，分别为金属齿板连接轻型木桁架的设计规程与规定和金 属齿板连接轻型木桁架的设计规程。加拿大和美国的轻型木桁架设计规程内容相近，均 包含桁架的结构分析模型、节点和杆件设计分析方法。 1 3 3 国内关于木结构体系的研究与应用现状 木结构在我国曾广泛应用于古塔、宝殿及民宅等，早在3 5 0 0 多年前，我国就基本形 成用榫卯连接梁柱的框架结构体系。而在过去的几十年，由于我国的林业资源匮乏造成木 材短缺，政府对木材在建筑上的使用进行了严格限制，因而使得我国木结构建筑发展滞后 于其他国家。随着国家森林资源的保护和有序发展、速生林的培育以及国外木材资源的进 口，木结构的资源问题有望得到逐步解决。而近几年来，随着人们对住房环境要求的提高 和环保意识的增强，环保节能的轻型木结构房屋逐渐引起了人们的关注1 2 引。 目前，木结构在我国只是处于起步阶段，在引进国外优质材料、先进技术的同时开始 复兴。 随着我国加入w t o ，中国和北美、欧洲等国家建筑方面的交流不断加强。美国林业 纸业协会、加拿大木材出口局等同我国有关单位，在北京、上海举办木结构房屋建筑一系 列的大型研讨会，目的是促进两国在房地产开发及轻型木结构房屋建筑技术方面的信息交 流，为我国用户提供经济实用的木结构房屋建筑。近几年已在北京、上海、宁波等一些城 市建造了少数的轻型木结构房屋小区。 近两年中国木结构相关规范的相继颁布也为我国木结构的发展奠定了基础。我国新的 木结构设计规范( g b 5 0 0 0 5 2 0 0 3 ) 已于0 4 年1 月1 日开始实施，新增了关于进口木材 和轻型木结构的内容。木结构工程施工质量验收规范( g b 5 0 2 0 6 2 0 0 2 ) 、木结构试验 方法标准( g b 5 0 3 2 9 2 0 0 2 ) 于0 2 年7 月1 日已实施，这表明我国开始关注木结构建筑。 目前国内也有高校、科研院所从事木结构研究，如同济大学进行木结构的抗震性能研 究，哈尔滨工业大学木结构研究中心以结构设计为主，中国林业科学研究院主要研究木材 及木质产品性能，以及木结构住宅性能的评估【2 6 1 。 同济大学的马人乐、许晓梁对轻型木桁架的工作性能和承载能力进行了研究，为轻型 木桁架在国内的设计和应用提供了依据。分析了节点偏心和齿板连接非线性转动刚度的影 响，并根据不同齿板连接节点的模拟方法，建立了轻型木桁架结构分析模型。通过对四榀 跨度6 1 m 的豪威式轻型木桁架进行静力加载试验，了解了该种木桁架的荷载一变形关系以 及可能的破坏形式【2 ”。 河北理工大学通过齿板承载力试验测试了齿板极限承载力、极限受拉承载力、极限受 剪承载力以及板齿的抗滑移承载力这四个力学性能，并对影响齿板承载力的一些因素进行 了分析，为齿板连接轻型框架木桁架的设计验算方法，制作、连接以及安装提供了参考依 据。 但是木结构在我国本土化过程中存在很多问题。如我国木材加工技术较北美落后，迄 今为止我国木结构住宅主框架材料几乎都从加拿大、美国进口；木结构的设计和建造技术 也来源于国外，而且大部分已建的木结构住宅未得到真正意义上的验收；研究力量薄弱， 木结构以别墅形式进入中国市场，标准、规范的不完善等。 1 4 钢木桁架在工程中的应用 1 4 1 钢木桁架在施工中的应用 铁甲电站厂房屋面是现浇砼梁板，由于屋面板下皮至地面为18 米高，地面位于地下 且有2 米深的水，如果按常规支模方法施工支模的立柱拉板就须7 0 多立方米木材，支模 费工进度慢，木材来回运输的费用非常可观，且支模时还要采取排水措施搭设脚手架，施 6 工极为复杂【2 9 1 。邵桂仁等人采用平行弦钢木桁架支模法进行屋面梁板的砼施工，压杆采 用木杆，拉杆采用钢筋，充分利用材料各自优势减轻桁架白重。在可靠措施的保障下，顺 利完成了九米大跨度桁架支模浇注砼的工序。 1 4 2 钢木桁架在斜屋项中的应用 钢木结构斜屋顶已经在工程中有所应用，但由于配套技术水平发展缓慢，缺乏统一的 设计、制作、施工验收等一系列的规范标准等原因，使其难以推广【3 叫。在钢木结构斜屋 顶组合构件系统中，有一种平行弦桁架，上弦下弦采用木材，充分利用其纵向抗压和抗拉 强度高、截面稳定性强、可钉可胶的材质特性，腹杆采用型钢。 1 4 3 钢木桁架在大跨度结构中的应用 某单位多功能用房建成于1 9 7 4 年，砖混结构，组合扶壁柱承重，钢筋砼条形基础设 置多道圈梁，选用钢木桁架作为屋面承重结构【3 。由于钢木桁架在支座节点采取偏心抵 承，使得上弦的受力状态由压弯构件改变为轴心受压构件。3 0 余年的使用实践表明，偏 心抵承大大改善了上弦杆的受力状态，使大跨度钢木桁架沿用到今。 钢木桁架已经在实际工程中有所应用，虽然只是用于支模、斜屋顶组合构件、简单的 承重构件等，但这种组合能使材料钢材和木材达到扬长避短的效果，符合工程实际需要， 符合我国当前的国情，既合理又可行，并可带来可观的经济效益。 1 5 本文研究的主要内容 在欧美等国轻型木结构和低层轻钢小住宅是主流住宅产品，而我国的国情是人多地 少，资源缺乏，低层低密度的小住宅不可能成为中国住宅产业发展的主流，相比之下多层 及小高层住宅有着更广阔的市场前景。为结合木结构和钢结构在材料、建筑、结构、经济、 可持续发展等方面的优势，结合我国在今后相当长时期内木材资源紧缺的现实情况，并满 足更为广大的小康水平阶层的要求，设计出一种多层的新型绿色环保住宅体系钢木混 合结构，作为国内建筑住宅体系的有益补充，加快我国住宅建筑的产业化进程。 木结构中的桁架是一种通过弦杆和腹杆连接成三角形布局来传递荷载的一种常用的 建筑体系，用于支撑结构的屋顶和楼板体系。木桁架框架有较大的跨度，可承受更大的荷 载作用，这与错列桁架钢结构体系中的平面钢桁架有异曲同工之妙。木框架结构中特别套 有木板的剪力墙和楼板在抵抗风和地震荷载时具有良好的性能，错列钢桁架结构体系的框 架柱能承受较大的轴向承载力。如果保证钢木构件之间高效合理的连接，就有可能实现框 架柱、桁架和楼板整体作用，具有足够的强度、刚度和良好的稳定性，承受竖向荷载和水 平荷载。因此构思一种错列桁架钢木混合结构多层住宅体系，在充分发挥材料和构件特性 的同时，为广大居民提供舒适节能的居住环境。 本文对错列桁架钢木混合结构多层住宅体系的结构性能进行了研究，旨在丰富国内建 筑住宅体系，加快我国住宅建筑的产业化进程。本文的主要内容为： ( 1 ) 研究错列钢木混和桁架的钢木组合方式、合理的节间数目、适宜的空腹节间位置 7 以及合理的腹杆布置形式，得到错列钢木混合桁架的合理设计方案。 ( 2 ) 对错列桁架钢木混合结构多层住宅体系标准模型进行整体受力分析。采用 s a p 2 0 0 0 商用软件包对住宅方案进行建模，深入分析其在竖向荷载、风荷载、水平地震 作用下的结构内力、位移及地震反应和自振特性。 ( 3 ) 对影响错列桁架钢木混合结构住宅体系受力性能的主要因素进行了分析。在标准 模型计算的基础上改变桁架形式、桁架高度、柱距、连接类型、建筑长宽比、高宽比、结 构材料等，从结构抗侧移刚度、构件受力、桁架挠度、层间最大位移角、最大顶点位移等 方面分析这些因素对错列桁架钢木混合结构多层住宅体系受力性能的影响。 8 2 1 引言 第二章错列钢木混合桁架设计研究 在错列桁架结构体系中，桁架直接承受重力荷载，并且是横向抗侧力的主要构件，对 于错列桁架结构体系的整体受力性能至关重要。本章主要研究钢木混和桁架的钢木组合方 式、合理的节间数目、适宜的空腹节间位置以及合理的腹杆布置形式，从而得到错列钢木 混合桁架的合理设计方案。 2 2 错列桁架的设计要点 错列桁架体系中，桁架常见形式有( 见图2 1 ) ：1 、空腹桁架( v i e r e n d e e lt r u s s ) ，也称 无斜杆桁架；2 、帕氏桁架( p r a t tt r u s s ) ，也叫受拉单斜腹杆式桁架；3 、混合型桁架，为设 置走道，将帕氏桁架中间节间的斜杆取消，设成空腹节间。 1 空腹桁架2 帕氏桁架 3 混合桁架 图2 - 1 平面桁架基本形式 在平面桁架采用不同构造形式的情况下，体系的整体变形，尤其是框架柱的变形有剪 切型和弯曲型之分。对于以剪切型变形为主的体系而言，需要柱子参与抵抗横向荷载，因 而横向荷载作用下，柱中的内力将以弯矩、剪力为主，轴力次之。当采用空腹桁架时，体 系的整体变形以剪切型为主【3 2 】，桁架的竖向腹杆需要参与抵抗横向荷载的作用，因此桁 架中所有的节点都必须设计成刚性节点，此时桁架与柱的节点也要按照刚性节点设计。但 是做成刚性节点，柱子弱轴与桁架连接，则桁架梁与楼板组合后的刚度远远大于柱子在桁 架平面内的刚度，就会形成“强梁弱柱”，违背我国规范抗震设计“强柱弱梁”的理念， 所以国外已有的钢结构错列桁架建筑物没有一个是采用空腹桁架的。当体系采用混合型或 者帕氏桁架时，体系的整体变形近似为弯血型【3 引，柱子不再需要按照以承受弯矩为主的 构件来设计。横向荷载的作用将通过平面桁架以轴力的形式传递给柱子，所以桁架与柱子 的连接可以按照铰接形式设计。此时，桁架上、下弦杆除了要承受轴力，还要承受弯矩， 要按照连续压弯杆件设计。而腹杆与弦杆的节点可以按照铰接点设计，忽略桁架腹杆次弯 矩的影响，此种分析不但误差很小，还能增加结构的延性和一定的耗能储备。这种连接方 案也是a i s c ( 美国钢结构协会) 在2 0 0 1 年1 2 月出版的错列桁架结构体系设计指南中 所采用的。从目前错列桁架已有建筑的结构方案看，平面桁架大都采用混合桁架，不但体 9 系的抗震性能得到了改善，而且更容易满足经济性的要求。采用帕氏桁架或混合桁架方案 的体系中，即使整体变形以剪切或弯剪变形为主时，柱子内力基本上还是以轴力为主，符 合柱子受力的特点。综上分析，本文在实际设计中选用混合桁架。 a i s c ( 美国钢结构协会) 出版的由n e i lw e x l e r 和f e n g b a ol i n 编写的错列桁架结构 体系设计指南【3 q 中总结了以往对错列桁架结构的理论研究以及工程实例，提出了对该 结构体系的设计方法和建议。桁架弦杆的宽度应能满足最小墙厚要求和楼板支撑长度的要 求。桁架节间数目取决于房屋高度和跨度，为制作方便，应使斜腹杆的倾角保持在4 5 0 6 0 0 。 采用立柱或吊杆支撑顶层或第二层时，立柱和吊杆应连在桁架节点处，以免产生附加弯矩。 2 3 住宅结构布置和桁架的初步设计 2 3 1 住宅结构布置 某6 层错列桁架钢木混合结构住宅，层高3 0 m ，柱距4 5 m ，建筑物平面尺寸为4 5 x1 4 m 。图2 2 图2 8 为该错列桁架钢木混合结构住宅建筑方案。根据建筑方案的特点， 桁架为1 4 m 跨，顶层各榀均布置桁架，其它桁架错列布置。根据错列桁架结构体系的力 学特点，结构布置方案中框架柱、纵向框架梁分别选用高频焊接h 型钢，桁架形式选用 混合桁架【33 1 ，楼板系统采用t r u sj o i s tm a c m i l l a n 生产的1 m 预制工字形搁栅木楼板【3 7 】。 该结构体系如图2 - 9 所示，结构局部楼层平面图示于图2 1 0 。 l j： 4 ：3 固 卿4讣 1l ?哆谨a-j劳| |ja” 卫曼盥 “蛳 m 1 f i 广1广1 ； 一 弛r r 一 藿 垂 到竺 i _w 一 j lr r【 一 u u1 5 1 u i j ，。i 。i 。锄，j ，瑚l ，蚋，瑚 。i ，种。i ，。j 。，枷 。j ，瑚，蛐i ，瑚j ，湘。1 。，1 ，。| ，。l ，。l 。佃口l 穗m - i ，l 2 1 姗11 1 1 拈耐111 “ 图2 - 2 错列桁架钢木混合结构住宅平面图( 首层) 1 0 qd薯a 爹1b l9g动理 髟 ? na! j 毕 窄 q由 a鲈a r 帕 4 8 0 0m 4 5 0 0 4 5 0 0 t 5 0 0 暇 1 鲫i 姗t 锄g e o - g g ot 嘲；枷i o t 1 m o惟1 5 - 1 1 5 0i 咖2 4 0 0 1 1 0 9 0 0 l ob 趔l 堕9 0 0 1 0 q1 5 a , o t 蜘1 5 0 0 一l 1 1 。11 i jn 1lll n j! j d占一一占让： e 广1 ；i 攀荤 i 列= 一 “ vf 。 j 2 l 蔓 ” 7 目 誊 l _ j l j l jl jl ul ii i | 。l 。l ，。i ，。1 ，。l ，。1 1 0 01 1 8 0 0 1 1 抛1 抛i2 1 | i 瑚 l m l ml e e1 1 5 0 0 ”a 1 枷l2 1 0 0 | 1 2 1 2 0 0 1 1 5 0 0 l 4 j 0 0 。4 6 0 0 l。1蜡耐 图2 - 3 错列桁架钢木混合结构住宅平面图( 2 ，4 层) t f0i4g； 知砂- tx 嚏 0! r 4如jl：1乡lp1掣 j 帕 m蜘 锄姗暇4 8 0 0 i 蛳 蛐1 期1 0 4 0 s l o e- 。- i 叽2 4 0 0l 1 0 5 0 瑚- 姗- l 哪 m 1 。1 m1 0 5 0 枷o1 1 咖9 0 0 咖 2 8 0 0h 9 0 0 8 7 09 0 0 蛳1 8 0 0 1 枷1 5 0 0 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