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烈度 震区 错列双 桁架 钢结构 住宅 体系 张崇厚

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ISSN 1000 0054 CN 11 2223 N 清华大学学报 自然科学版 J T singhua Univ Sci 2 清华大学 建筑设计研究院 北京 100084 收稿日期 2007 04 03 基金项目 浙江省科技攻关计划项目 2005C31066 嘉兴市科技计划项目 20041113 作者简介 张崇厚 1967 男 汉 河南 副教授 E mail chzhang tsinghua org cn 摘 要 为适用于高烈度地震区的住宅建筑 提出了错列双 桁架结构体系 在结构横向采用错列双桁架结构 双桁架两 端与钢管混凝土双肢格构柱相连 简化了桁架弦杆与柱的连 接 而且结构内部预留了设备管道的穿行空间 综合考虑了 结构 建筑 设备的配合 针对一个13 层错列双桁架结构 进 行了竖向荷载和地震作用下的静力计算和时程分析 结果表 明 错列双桁架结构体系不仅保留了传统错列桁架结构体 系的优点 而且受力更加合理 结构纵横双向的抗侧刚度都 可满足抵抗强震作用的需求 关键词 错列双桁架 高烈度地震区 钢管混凝土双肢格构 柱 抗侧力 中图分类号 T U 312文献标识码 A 文章编号 1000 0054 2008 06 0926 05 Steel residential structure with staggered twin truss design in high seismic load areas ZH ANG Chonghou1 ZHANG Yong1 LIUYansheng2 1 Department of Civil Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China 2 Institute of Architectural Design and Research Tsinghua University Beijing 100084 China Abstract T o be suitable for residential housing in active seismic areas a steel stagg ered twin truss design was developed with simplified connections between the truss chords and the columns whichalsosimplesinstallationofwateranddrainageand air conditioner systems A 13 story staggered twin truss structure was designed with staggered twin trusses in the transverse direction and concrete filled steel tubular double limb columns around the outside The design was analyzed using static and the time history analyses with vertical loading and lateral earthquake loads There is little material increase in mid rise buildings with the staggered twin truss system that resists lateral loads because it provides ex cellent lateral bracing both in the transverse and longitudinal directions T herefore thestaggeredtwin trussframingis appropriable for active seismic regions Key words staggered twin truss high seismic zone concrete filled steel tubular double limb column lateral load resistance 错列桁架结构体系虽然桁架方向刚度大 结构 受力好 但存在不足 其一 结构纵向刚度偏弱 应 用于高烈度地震区时需在纵向增设剪力墙 支撑等 抗侧力构件 这些构件一般布置于外墙 1 影响开 窗 不利于自然采光和通风 不适于高烈度地震区的 住宅 其二 错列桁架结构体系的优势仅体现在结 构受力方面 在用于房屋建筑 尤其是住宅时 设备 管井的位置 管道穿行的空间都受到局限 因此 无 论考虑结构本身 还是考虑结构和设备等专业间的 配合 传统的错列桁架结构体系都需要改进 本文针对一个 13 层错列双桁架结构进行静动 力分析 以说明错列双桁架结构较好的受力和抗震 性能 1 错列双桁架结构 在传统错列桁架结构 1 中改用如图 1 所示的双 桁架 为错列双桁架结构 双桁架结构的每榀桁架由 2 片桁架平行拼凑而成 当2片桁架的弦杆距离较近 时 2 弦杆可合而为一 例如可用槽钢替代两个独立 的角钢 也可以使双桁架 2 端与钢管混凝土双肢格 构柱相连 桁架弦杆与柱的连接更为简便 而且无需 在外墙布置纵向抗侧力构件也可增加结构纵向刚 度 错列双桁架结构不仅保留了传统错列桁架结构 的优点 而且受力更加合理 构造更为简便 同时结 构内部巧妙预留了设备管道的穿行空间 可实现结 构 建筑 设备的完美结合 2 计算模型 本文的计算模型采用的结构 2 平面如图 2 所 示 共13 层 主体部分长61 8m 宽16 2m 标准层 高 2 9m 顶层层高3 1m 采用坡屋顶 结构横向 布置错列桁架 由10 榀钢桁架组成 每榀桁架间距 5 5m 桁架T 1 跨度11m T2 跨度16m 其中 11 轴在偶数楼层处布置桁架 10 轴在奇数楼层 顶层坡屋顶除外 布置 桁架 图1 错列双桁架结构体系 图2 计算模型的结构平面 错列桁架结构体系在横向水平荷载作用下 由 于剪力主要通过楼板和桁架共同作用传递到底层 因而立柱弯矩较小 一般情况下柱子近似为轴心受 压 3 4 比较适合使用钢管混凝土柱 2 但当钢管混 凝土柱长细比较大时 单肢柱不能满足刚度要求 材 料强度也不能得到充分发挥 若一味增加截面尺 寸 会导致桁架方向的材料浪费 影响建筑立面和平 面 此时应当选用钢管混凝土双肢格构柱 双肢柱的 强轴平行于桁架方向即结构横向 不仅不需要较大 截面 而且还可以提高结构纵向抗侧移能力 且避免 了在外墙位置布置支撑 因此本模型在轴线 A C 位置上布置钢管混凝土双肢柱 2 分肢截面形心间 距530mm 双肢间于每层设3 个缀件 分肢为壁厚6 mm 圆钢管 在第1 6 层上直径320mm 在第7 层 及7 层以上直径250mm 其他柱选用H 型钢截面 其中山墙上的4个边柱和轴线 B上11m 桁架的端柱 采用H 型钢柱1 腹板高320mm 厚14mm 上下翼 缘宽240mm 厚20mm 其余采用H 型钢柱2 腹板 高 200 mm 厚 10 mm 上 下翼 缘宽 120 mm 厚 12mm 在结构横向采用如图3 所示的双桁架 桁架上 下弦可采用槽钢或两个分离的角钢 本文为 125 mm 80mm 10mm 角钢 与柱铰接 桁架腹杆在 第 1 6 层上为直径120mm 壁厚6mm 钢管 在第 7 层及7层以上则为直径80mm 壁厚4mm 钢管 每 榀桁架可看作由2 个桁架间隔一定距离组合而成 其腹杆为 型 型 斜杆 这样布置基于以下考虑 型与 型腹杆平面间留有间距 为暗敷设备管线 留出空间 之所以腹杆选用钢管是因为 一方面钢 管受力性能较好 另一方面也便于弦杆和腹杆的连 接 加厚了分户墙 其间填充轻质材料后 隔声效果 更好 927 张崇厚 等 高烈度地震区的错列双桁架钢结构住宅体系 在山墙处添加支撑可使结构拥有较大的抗扭刚 度 由于山墙平面内也考虑预留设备管线穿行的空 间 因而两侧山墙也按图3 中16m 跨桁架形式布置 支撑R2 R2 横截面同前述桁架腹杆 所不同的是桁 架跳层布置 支撑每层都布置 图3 双桁架形式 纵向偏心支撑不仅可增大结构抗侧刚度 而且 具有屈服耗能机制 能满足高层钢结构的抗震要求 结合建筑方案 尽可能保证结构刚度均匀 结构纵向 沿轴线 B在轴线 和 之间 和 之间以及 10 和 11之间分别布置偏心支撑R1 R1 横截面同山墙支 撑R2 纵向框架梁B1 与框架柱刚接 所有框架梁均采 用腹板高250mm 厚8mm 上下翼缘宽150mm 厚10 mm 的高频焊接H 型钢 计算模型中 主体结构钢材 为Q345 钢管混凝土柱内为C40 混凝土 3 结构分析 按照 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 规定 的8 度第一组 类场地 采用振型分解反应谱法计 算地震力 根据 建筑结构荷载规范 GB50009 2001 及 高层建筑钢结构设计规程 JGJ99 98 验算重力 荷载 重力荷载与风荷载的组合及重力荷载与地震 作用的组合 分析计算采用结构分析设计程序 ET ABS 8 0 5 3 1 竖向荷载下的受力性能 表1 为重力荷载作用下 结构在轴线 处桁 架腹杆轴力N 重力荷载作用下 桁架腹杆的轴力分布大致有 以下特点 底层腹杆轴力较小 第7 10 层的腹杆轴 力较大 各层桁架靠跨中的腹杆轴力较小 桁架两 端的腹杆轴力较大 表2为轴线 处的钢管混凝土格构柱分肢 的最大轴力Nmax 按文 6 计算得到格构柱分肢轴心 受压承载力 第1 6 层N1u 4 79MN 第7 13 层 N2u 2 32MN 格构柱分肢满足受力要求 表1 轴线 处各层桁架腹杆轴力 楼层号 轴 N kN maxmin 楼层号 轴 N kN maxmin 2378 2 455 71293 1 299 6 4410 4 475 53309 0 311 7 6426 5 480 65336 2 344 1 8430 4 481 17348 3 364 7 10427 9 471 59352 7 365 7 12275 2 312 811361 1 356 8 表 2 钢管混凝土格构柱分肢的最大轴力 轴线号 Nmax MN 1 6 层7 13 层 轴线号 Nmax M N 1 6 层7 13层 2 568 1 458 2 858 1 466 2 623 1 448 2 623 1 410 2 715 1 444 3 2 水平荷载下的受力性能 水平风荷载作用下 桁架弦杆和腹杆的内力变 化很小 风荷载不对结构起控制作用 虽然错列桁架 结构在桁架方向有较好的抗侧移性能 但是由于结 构横向迎风面较大而导致横向受力较大 因而风荷 载最大层间位移发生在结构的横向 表3 为地震作用下部分桁架腹杆轴力N 的最大 值和最小值 竖向荷载下各层桁架腹杆轴力相差不 大 而在水平地震作用下腹杆轴力随着层数的增加 逐渐减小 由于桁架腹杆将结构上层的水平剪力逐 渐往下层传递直至基础 越靠下层的桁架腹杆将传 递更大的水平剪力 针对某一榀桁架 由水平地震力 928 清 华 大 学 学 报 自 然 科 学 版 2008 48 6 产生的水平剪力由各斜腹杆较为平均分摊承受 因 此在水平地震作用下 尽管腹杆轴力增加很多 但增 加量始终都由桁架各斜腹杆共同分担 不至于产生 轴力 尤其是压力 特别大的杆件 表4 列出了在轴线 处钢管混凝土格构柱 两分肢的轴力N 以及弯矩My M x的最大值 其中 My为纵向水平地震作用下的分肢弯矩 Mx为横向 水平地震作用下的分肢弯矩 表中弯矩为绝对值 表3 地震作用下轴线 处各层桁架腹杆轴力 楼层号 轴 N kN maxmin 楼层号 轴 N kN maxmin 2508 9 509 11641 4 643 3 4497 0 496 03632 2 634 2 6478 8 478 05620 9 626 6 8456 4 460 77602 3 607 4 10425 0 429 09572 5 574 8 12404 6 408 711519 0 518 9 表4 水平地震作用下格构柱分肢的最大轴力和弯矩 轴线号 Nmax M NMx kN m My kN m 4 170 3 321 1 662 1 57345 426 412 919 395 091 153 550 9 4 191 3 395 1 543 1 50823 728 119 79 189 392 248 358 0 3 107 2 871 1 429 1 38130 928 510 328 280 777 941 625 7 3 144 3 096 1 395 1 30127 629 723 212 080 265 827 944 2 4 215 3 373 1 662 1 60832 929 721 222 694 091 157 645 6 1 6 层分肢1 1 6 层分肢2 7 13 层分肢 1 7 13 层分肢2 钢管混凝土格构柱是结构纵向抗侧体系的重要 组成部分 纵向水平地震作用下 柱的轴力和弯矩明 显增加 并且2 分肢轴力N 弯矩My各不相同 尤其 轴力N 差别较大 2分肢的自身弯曲差异导致各自 不同的弯矩My 其较大的轴力差值产生很大的附加 弯矩 以抵抗纵向水平地震作用 My较Mx大 说明 桁架抵抗横向水平地震的能力较强 My虽然较大 但由于双肢格构柱在结构纵向的计算长度较短 承 载力较高 因而较小截面也能满足要求 由此可知 采用钢管混凝土双肢格构柱可以充分利用材料的强 度和错列桁架的抗侧力优势 按文 7 所述方法验算 双肢格构柱的整体承载力 选用的截面满足设计要 求 水平地震作用下 格构柱的分肢水平剪力在纵横 2 个方向都不超过 40 kN 相对 于其轴力可以 忽略 水平地震对结构的侧移起控制作用 纵横向地 震作用下 结构各层的层间位移D与其层高h 之比D h 的最大值分别为1 326 1 376 均满足规范要求 的小于1 250 的侧移限值 结构2 个方向的位移相差 不大 说明2 方向刚度比较接近 符合抗震设计的一 般要求 3 3 动力时程分析 采用的输入地震波为北京地区某一场地所取得 的加速度时程曲线 如图 4 所示 发生概率为 63 的 小震加速度峰值为 0 79 m s 2 发生概率为 2 5 的大震加速度峰值为3 81m s 2 时间步长 取 20 ms 地震波的输入采取纵横 2 个方向同时 输入 分析结果表明 计算模型在小震和大震作用下 分别满足 高层建筑钢结构设计规程 JGJ99 98 中 1 250 和1 50 的侧移限值 从各结构杆件内力来看 在小震作用下均处于弹性阶段 内力和变形均满足 规范要求 在大震作用下部分构件将出现塑性变形 和损坏 图 4 地面加速度时程曲线 由于偏心支撑的耗能梁段按剪切屈服型设计 929 张崇厚 等 高烈度地震区的错列双桁架钢结构住宅体系 梁段弯矩较小 因此仅考虑梁段剪力的时程曲线 图5 为结构底层某一偏心支撑的耗能梁段剪力 V 的时程曲线 在大震作用下 耗能梁段将在3 6s 左右剪切屈服 耗能梁段明显先于斜杆屈服 塑性铰 将首先出现于耗能梁段 在大震作用下桁架腹杆也 可能屈服 但其屈服时间在支撑耗能梁段和支撑斜 杆之后 图6 为结构底层的某一钢管混凝土格构柱分肢 弯矩的时程曲线 在大震作用下My的最大值为115 2kN m Mx的值同表4 的数值相比变化不太明显 可见 由地震引起的横向水平剪力主要由桁架腹杆 承受 而钢管混凝土格构柱主要承受竖向力和分担 结构纵向的一部分水平剪力 经计算底层格构柱的 分肢抗弯承载力大于250kN m 双肢格构柱的压弯 承载力也满足设计要求 这说明钢管混凝土格构柱 在大震作用下不会出现塑性破坏 从上述分析可以看出 计算模型在地震作用下 表现出较好的受力性能 在大震作用下能保证足够 的承载力 图5 底层偏心支撑的耗能梁段剪力V 的时程曲线 图6 格构柱的分肢弯矩M的时程曲线 4 结 论 1 错列双桁架钢结构体系优点突出 结构受力 合理 桁架弦杆与柱的连接构造简便 用于高层建 筑时 柱截面尺寸仍然较小 不占建筑空间 同时结 构内部巧妙预留了设备管道的穿行空间 实现了结 构 建筑 设备的完美结合 2 错列双桁架结构的框架柱采用钢管混凝土 双肢格构柱充分发挥了钢管混凝土受压性能好的特 点 而且可提高错列桁架纵向的抗侧移刚度 无需沿 外墙布置纵向抗侧力构件 非常适合住宅建筑 3 结构布置合理的错列双桁架结构无论在小 震还是大震作用下 都能较好满足受力和位移的设 计要求 有较好的抗震性能 适用于高烈度地震区 参考文献 References 1 WEXLER Neil LINFengbao Steel Design Guide 14 Staggered T russ Framing Systems S Chicago AISC 2003 2 吴昶 张崇厚 叶桢翔 多层住宅错列桁架钢结构体系整体 分析 J 建筑结构 2005 2 28 30 WU Chang ZHANG Chonghou YE Zhenxiang Integrity analysison thestaggered trusssystemapplied inthe multi storied residence J Building Structure 2005 2 28 30 in Chinese 3 莫涛 周绪红 刘永健 等 交错桁架结构体系的受力性能 分析 J 建筑结构学报 2000 6 49 54 M O T ao ZHOU Xuhong LIU Yongjian et al Analysis of the load bearing behavior of staggered truss structure J J Building Struc 2000 6 49 54 in Chinese 4 潘英 周绪红 交错桁架体系的抗震性能动力分析 J 土木 工程学报 2002 35 4 12 16 PANYing ZHOUXuhong Aseismicbehaviorofthe staggered truss system J Chin Civil Eng J 2002 35 4 12 16 in Chinese 5 Habibullah A Staggered Truss Framing Systems U sing ET ABS M California Computers and Structures Inc Berkeley 2003 6 韩林海 钢管混凝土结构 M 北京 科学出版社 2000 HAN Linhai Concrete filled Steel T ubular Structures M Beijing Science Press 2000 in Chinese 7 刘清 组合结构设计原理 M 重庆 重庆大学出版社 2002 LIU Qing Principles of Composite Structure Design M Chongqing Chongqing Univesity Press 2002 in Chinese 930 清 华 大 学 学 报 自 然 科 学 版 2008 48 6

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