交错桁架钢结构体系应用技术与示范.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除交错桁架钢结构体系应用技术研究与示范此文档仅供学习与交流目录1概述11.1序言11.2交错桁架应用现状21.2.1起源21.2.2特点21.2.3典型应用案例31.2.4相关技术标准41.3国内外研究现状41.4本项目研究背景及研究内容62交错桁架结构体系分析72.1交错桁架简介72.1.1交错桁架的组成72.1.2建筑上的特点82.2交错桁架结构体系的受力性能特点102.2.1在竖向荷载作用下的受力性能特点102.2.2在水平荷载作用下的受力性能特点102.3构件与节点设计122.3.1柱的设计122.3.2桁架的设计122.3.3节点设计142.4新型简化计算模型的提出与分析162.4.1水平交叉支撑模型的提出162.4.2水平交叉支撑模型在水平荷载计算时的适用性182.4.3水平交叉支撑模型在竖向荷载计算时的适用性222.4.4结论262.5本章小结263关键应用技术研究273.1提高结构纵向刚度的新型方案273.2提高桁架弦杆局部抗弯承载力的方法303.3柱-桁架全螺栓节点333.3.1节点的提出333.3.2有限元分析353.3.3对现有规范中节点板公式的建议383.4减小端斜腹杆截面尺寸的方法393.5本章小结424重要参数分析434.1层数434.2柱距454.3跨度464.4层高484.5节间数494.6本章小结495示范工程515.1柯北宿舍楼项目简介515.2结构设计525.2.1结构布置525.2.2设计依据555.2.3设计基本条件565.2.4结构计算585.2.5主要计算结果605.3施工工况分析755.4施工技术措施786结论83参考文献841概述1.1序言据中国钢结构协会资料表明，我国钢产量自1996年以来稳居世界第一位。2013年我国钢产量达到7.79亿吨，占全球产量的48.5%，2014年增至8.02亿吨，产能严重过剩，市场供大于求。目前，我国建筑钢结构用钢量约仅占钢产量7%左右，而发达国家建筑钢结构用钢量要占钢材产量的10%以上，美国、日本等国家更达到30%以上。近年来，国家及各地方政府相继出台政策以鼓励建筑业转型升级。从2013年至今，中央及各地方政府职能部门相继出台若干指导性意见、政策与实施条例，大力推动“预制装配式的建筑工业化”。建筑业向新型建筑工业化模式转型，走建筑工业化的发展道路，这一点已在行业内达成共识。积极推广钢结构建筑，可有效化解钢铁产能过剩的矛盾，促进钢结构行业健康发展。近些年，国家相关部门也相继出台政策，积极推进建筑工业化，并大力发展钢结构建筑。在国家推进新型建筑工业化的大背景下，各地建筑企业也在积极研究企业的转型升级问题，并加大了对预制构件、工业化建筑体系、建筑产品以及工业化建造技术等方面的研发投入。近几年，已陆续有相应成果产生，并投入生产和工程应用，地方标准及行业标准也相继出台；但这些研发成果和技术标准主要以预制装配式混凝土（PC）建筑为主，且主要针对于住宅建筑。但对学校、医院、商务办公及公寓旅馆等同样有着巨大市场需求的公共建筑，目前则鲜有建筑工业化方面的研究，在建筑工业化方面的成果亦少之又少，这应该引起相关部门足够重视。事实上，学校、医院、商务办公及公寓旅馆建筑一般都较为规整，更适合推广工业化建造方式，而且这类建筑人口集聚密度大，采用工业化建造，可以实现非常可观的节能效果。本项目基于交错桁架钢结构体系，通过对国内外研究成果的消化吸收和自主研发，开发出一种能够推广应用于学校、医院、商务办公、宿舍及宾馆公寓旅馆等平面狭长且具有内廊的多、高层建筑的高性价比、高装配化的工业化结构体系，并将该结构体系应用于示范项目中。1.2交错桁架应用现状1.2.1起源交错桁架体系起源于上世纪六十年代的美国，由麻省理工学院开发1，目的是为多、高层旅馆、公寓等高而窄的建筑提供更经济的结构形式，该体系最早应用于1967年在明尼苏达圣保罗建造的一栋16层的老年公寓。交错桁架结构体系具有经济性好，施工效率高，适合工业化方式建造等优势，如今在美国、加拿大、澳大利亚等国家普遍应用，且主要应用于公寓、宾馆及办公等建筑。2002年，美国钢结构协会（AISC）出版的规范Steel Design Guide Series 14: Staggered Truss Framing Systems中，已将钢结构交错桁架体系视为一种高效、经济而且施工快速的新型结构体系。我国目前尚无关于钢结构交错桁架体系的工程案例，本课题中的柯北宿舍楼项目为国内首个应用交错桁架钢结构的项目。1.2.2特点交错桁架结构体系2如图1-1所示，结构主体由纵向外围布置的柱子和横向布置的平面桁架组成；柱布置在结构外围，中间无柱，在纵向由钢梁相连；平面桁架隔跨、错层布置，其跨度等于建筑物的全宽，其高度一般为建筑层高，平面桁架与柱子铰接连接；楼板一端支承在下一层平面桁架的上弦杆上，另一端支承在上一层桁架的下弦杆上。图1-1 钢结构交错桁架结构体系1.2.3典型应用案例案例1：Resorts International Hotel, Atlantic City, 1986.美国大西洋城的国际旅游饭店（图1-2），43层，128m高，横向跨度为21.35m。1-4层为餐厅、商店，1200间客房，建筑面积10.4万平方米，总投资2210 万美元，1985年3月动工，1986年3月竣工，是目前世界上最高的交错桁架建筑。初步设计阶段采用了4个方案，4个方案的造价之比为：钢框筒结构：混凝土框筒结构：混凝土框架-剪力墙结构；交错桁架结构= 1.40：1.10：1.25：1.0。图1-2 Resorts International Hotel, Atlantic City, 1986案例2： Aladdin Hotel, Las Vegas, 2000. 美国拉斯维加斯的阿拉丁酒店（图1-3），38层，2600间客房，总投资额12亿美元。采用交错桁架体系后，主体结构造价节省额超过450万美元，节约工期120天，间接降低成本2.4亿美元（该饭店每天营业收入200万美元）。该工程从1998年3月旧建筑物拆除动工，2000 年11月竣工。图1-3 Aladdin Hotel, 38 storys, LasVegas, 20001.2.4相关技术标准2002年，美国钢结构协会（AISC）针对钢结构交错桁架体系出版了规范Steel Design Guide Series 14: Staggered Truss Framing Systems。国内第一本关于钢结构交错桁架体系的设计标准“交错桁架钢框架结构技术规程CECS 323: 2012”已于2012年颁布；另外，行业标准“交错桁架钢结构设计规程JGJ/T 329-2015”将于2015年12月1日起实施，这为钢结构交错桁架体系在我国的工程应用及推广提供了前提；此外，上海市轻型钢结构技术规程中也有对钢交错桁架结构的设计规定。1.3国内外研究现状William LeMessurier3是交错桁架的提出者，他首先提出了交错桁架在横向可以看成有支撑的框架，在纵向可以看成无支撑的框架，并对纵横两方向柱子的计算长度进行了研究。Taranath4系统研究了交错桁架的受力特点，对交错桁架中各构件的常规设计方法进行了介绍。John B.Scalzi5分析了交错桁架在水平荷载和竖向荷载作用下楼板、柱和桁架的传力方式和受力特点，认为在竖向荷载下，荷载从楼板以集中力形式传递到桁架上下弦杆。Raj P.Gupta6进行了交错桁架在地震荷载下受力特性的研究，认为在地震作用下，交错桁架相邻两榀框架可以协同作用，结构中的刚性楼板可以用刚性链杆代替。Robert D.Hanson7对交错桁架的抗震设计进行了一些研究，认为交错桁架结构体系具有良好的耗能能力和变形能力，在设计考虑延性时应注意楼层延性和构件延性有明显差异。国内学者对交错桁架结构也进行了一些研究。周绪红等8研究了交错桁架结构的静力特征，分析了结构布置形式对结构受力的影响。针对交错桁架结构在水平荷载下的内力和侧移计算，周绪红等9也提出了把结构中的楼板等效为与横向框架铰接的链杆，建立了构建内力、层间位移和楼层侧移计算的平面协同分析模型。此外，针对交错桁架结构的抗震性能，周绪红等10也进行了相关研究，研究发现交错桁架结构在强震下，且有大量塑性铰发展的情况下，结构刚度退化不明显，结构体系变形能力较强，具有良好的抗震性能。卢林枫等11研究了交错桁架结构中的节点构造对结构内力和变形的影响，并给出了节点构造详图和工程设计建议。许红胜等12给出了交错桁架结构体系构造特点和主要连接构造的详细说明。王涛等13研究了钢结构交错桁架中楼板的计算分析处理，通过SAP2000、ETABS、PKPM三种结构设计软件计算分了同一个交错桁架结构，得出在软件分析中假定楼板为刚性楼板是合理的结论。左茂荣等14分析了交错桁架结构体系楼板和桁架的共同作用的性能，提出了楼板与桁架共同作用理论分析方法。周绪红等15通过对某工程分别采用交错桁架结构和钢框架结构方案进行分析对比，初步得出了交错桁架结构体系可以大幅降低结构材料用量，提高结构的经济性的结论。目前对交错桁架在结构方面的研究已经比较完备，但对交错桁架结构配套的技术如楼板、外墙板、桁架处墙体做法尚缺乏研究，而且对交错桁架的经济性分析较少，这些都影响了该体系的推广。1.4本项目研究背景及研究内容本项目来源于国家住建部课题基于钢结构交错桁架体系的成套工业化技术开发。浙江绿筑建筑系统集成有限公司针对交错桁架钢结构体系在国外先进经验的基础上，结合国内的研究现状，通过对已有成果的消化吸收和公司自身以及与高校及科研院所合作开展的相关研究，掌握了交错桁架钢结构体系的设计应用技术，在交错桁架结构的设计方法、结构布置、构造、经济性分析等方面进行了深入的研究，建成了国内首个交错桁架钢结构的示范工程。2交错桁架结构体系分析2.1交错桁架简介2.1.1交错桁架的组成交错桁架结构体系的基本组成是：楼板、平面桁架、纵向的柱子和钢梁。柱子仅在房屋周边布置，可采用钢管柱或钢管混凝土柱。桁架高度与层高相同，跨度与建筑物宽度相同，桁架两端支承在房屋纵向边柱上。桁架在建筑物横向的每条轴线上每隔一层设置1个，在相邻轴线上则是交错布置，如图2-1所示。在相邻轴线间，楼层板一端支承在下一层桁架的上弦杆上，另一端支承在上一层桁架的下弦杆上。图2-1交错桁架组成交错桁架结构体系柱子数量少，水平荷载下的体系类似一悬臂梁，周边柱子相当于悬臂梁的翼缘，桁架相当于梁腹板。在竖向荷载和水平荷载作用下，柱子主要承受轴力，剪力和弯矩较小，基础的数量和体积都明显减小。主体结构采用钢结构，围护结构和隔墙采用轻质预制材料，便于工厂化生产和施工，建设周期短。交错桁架结构体系的桁架高度为一层楼高,宽度为跨越房屋的全宽,其作用是直接承受竖向荷载并对水平荷载提供必要的抗力。桁架形式多种多样,交错桁架结构体系一般有如图2-2所示的两种基本形式。空腹桁架没有斜腹杆,这种形式的桁架在建筑上可以方便地布置门洞及走廊;但当房屋宽度很大时,在竖向荷载作用下,这种形式的桁架往往会在跨中节间产生过大的挠度而影响建筑物的使用。混合桁架的特点是承载力大,并能为桁架所在楼层提供必要的抗侧刚度,但由于桁架节间斜腹杆的布置在一定程度上妨碍了门窗洞口的灵活布置。在布置桁架时,可使桁架各节间等宽,以便最大限度地使用标准桁架单元,从而降低工程造价。图2-2桁架的两种基本形式2.1.2建筑上的特点交错桁架结构的平面在建筑上可布置为矩形，此时，平面多为狭长型，沿建筑纵向方向中间为走道，两侧为房间，如图2-3所示。因此，这种结构体系多适用于学校、医院、宿舍、办公楼等采用中间走道、两侧房间的建筑。建筑平面也可以布置成环形，由此可以得到更为生动的交错桁架结构，如图2-4所示。图2-3 建筑平面为矩形图2-4建筑平面为环形交错桁架结构可以给建筑带来大空间。当桁架底层不落地时，可以实现建筑底层的大空间；另一方面，由于桁架在纵向为隔跨布置，这使得在任意楼层的纵向，建筑可以获得两倍柱距的大空间，如图2-5所示。此外，桁架也可以非均匀布置，实现3倍柱距的建筑空间。图2-5 底层大空间与纵向两倍柱距2.2交错桁架结构体系的受力性能特点2.2.1在竖向荷载作用下的受力性能特点在竖向荷载作用下的受力性能如图2-6所示，竖向荷载通过楼板形成均布力，均布力可化成结点力，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。图2-6交错桁架在竖向荷载下的受力性能交错桁架结构体系在竖向荷载作用下，侧移很小，且沿结构纵向方向上各榀横向框架有规律的布置，作用在结构上的竖向荷载也沿纵向均匀分布，因此可不考虑结构的整体空间作用。2.2.2在水平荷载作用下的受力性能特点交错桁架结构体系中的水平荷载所产生的剪力通过楼板及其与桁架弦杆的连接传给桁架的上弦，又通过斜腹杆传给桁架的下弦，再通过下弦及其与楼板的连接传至下层楼板，最后一层一层地传给基础。每个桁架承受作用于两个柱间的剪力，楼板犹如一刚性隔板传递着剪力，其传力的机理如图2-7所示。桁架和楼板既要承受竖向荷载又要承受和传递面内剪力。由于水平荷载是通过桁架与楼板向下传递的，因此在水平荷载作用下，柱子和桁架中仅产生很小的局部弯矩，主要承受轴力。由于柱子的这个特性，可使柱子的弱轴平行于房屋纵向、强轴位于桁架平面内。这样，柱子和纵向连系梁、支撑组成框架有效地承受纵向水平荷载,从而提高房屋的纵向刚度。抗震研究表明，在水平地震作用下，由于柱子中的弯矩很小，塑性铰集中出现在桁架门洞节间的腹杆和弦杆上，形成的塑性铰多，塑性发展的过程长，吸收与耗散的能量大，表现出良好的抗震性能。图2-7交错桁架在水平荷载下的传力由于交错桁架的结构布置特点，决定了其在水平荷载作用下不能按传统框架体系的力学特征和变形规律进行工作，而是相邻两榻框架通过楼板连接在一起,达到空间共同工作的效果。因此，荷载在结构构件中的分配关系比较复杂,应根据空间工作的情况进行分析和计算。为了理解交错桁架结构体系在水平荷载作用下的空间工作性能,在结构体系中取出相邻两榀交错桁架结构。从平面上看,桁架层相对敞开层来说,其水平面的刚度很大,类似于排架结构中的屋架,侧向变形主要发生在敞开层的柱子上。但由于相邻两榀交错桁架结构通过自身平面内刚度为无穷大的楼板系统相互连接,则在水平荷载作用下任何一层楼面上所有的点将有相等的水平位移,即敞开层的柱子与桁架层的腹杆(包括斜腹杆、竖腹杆)一起共同抵抗侧向变形。再考察整体结构,由于在整个结构体系横向的每层中都有抗侧刚度较大的桁架层，这使得整体结构横向的抗侧刚度大大增加。2.3构件与节点设计2.3.1柱的设计柱是交错桁架体系中最重要的构件之一。交错桁架体系正是通过减少柱的数量，使用钢量大为下降。交错桁架体系的另一突出优点是在横向水平作用力下，柱中基本不出现弯矩。但应该注意的是，如果出现桁架与柱连接处无斜腹杆的情况，柱中可能产生一定的局部弯矩，结果表明，弯矩与轴力的应力比一般小于0.1。框架柱可以采用H型钢柱、矩形钢管柱、矩形钢管混凝土柱等。交错桁架体系中多数构件的内力以轴力为主，而且体系的抗侧刚度很大，一般以强度和稳定设计来控制构件截面，比较适合采用高强度的钢材，从国外已经投入使用的实际工程资料获知，体系中柱子大都选用宽翼缘 H 型钢，美国工程界习惯做法是：柱子选用A992/50 或者 A572/50 等级为 B 级或 C 级，此种钢材相当于我们国家的 Q345。框架柱的设计指标应满足钢结构设计规范（GB50017)和交错桁架钢结构设计规程（JGJ/T329)的相关要求。2.3.2桁架的设计桁架作为交错桁架体系的主要结构之一，其用钢量在体系总用钢量中占有很大的比例，桁架也是交错桁架体系中构造最复杂的一个结构，其构件和节点数目众多，材料切割和节点连接工作量也比较大，加工、制作费比相同重量下柱、梁的费用多很多，是交错桁架体系加工、制作费用最主要的组成部分。桁架在工厂用大规模的生产方式生产后,运到现场安装，从而减少现场的湿作业，简化建造程序。所以对桁架进行标准化的分析，对交错桁架体系的研究有着重要的意义。对交错桁架体系的桁架而言,其任务是能跨越房屋的全宽,直接承受竖向荷载,并对水平力提供必要的抗力。为了满足批量生产的要求,同一建筑中的桁架及其构件的形式宜一致。桁架的节间数目,取决于桁架的高度和跨度,一般应使斜腹杆的倾角保持在4560，桁架的跨度在12 24m间比较适宜，桁架的高度一般即为层高。在顶层,通常无法使桁架交错排列,可采用立杆和吊杆支承顶层梁并连于下层桁架的节点。桁架弦杆宜采用热轧工字钢或焊接工字形截面,斜杆和竖杆宜采用矩形钢管截面。桁架弦杆的宽度应能满足最小墙厚要求和楼板支承长度的要求。腹杆的最小截面不应小于100mm100mm6mm,节点板厚度不宜小于12mm。桁架弦杆的宽度不宜小于200mm。根据规范交错桁架钢结构设计规程（JGJ/T329)中7.0.4条规定：交错桁架结构在分析竖向荷载作用时，不宜计入组合梁效应。交错桁架结构在分析横向水平荷载作用时，宜计入组合梁效应，此条规定主要是针对桁架的弦杆设计，由此所以在设计改体系时需要建立两个计算模型。桁架构件通常设计成只受轴力，材料能得到较充分利用，具有节约钢材的潜能，构件交汇的节间处，要求力交于一点以避免产生弯矩，因此，尽可能将杆件的轴线交于一点。按照桁架腹杆布置和杆件内力特点可分为实腹桁架（即受拉单斜式腹杆桁架）、混合桁架和空腹桁架（也称无斜杆桁架）三种形式（图2-8）图2-8三种桁架形式当采用空腹桁架时，需要桁架的竖向腹杆参与抵抗水平荷载的作用，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市采用空腹桁架的。体系采用实腹桁架或者混合桁架时，体系的整体变形近似弯曲型，柱子不再需要按照以承受弯矩为主的构件设计；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的形式设计；此时，桁架的上、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。混合桁架是交错桁架体系中最常用的一种桁架形式，混合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方便；由于混合桁架其他节间都设有斜杆,能较好的抵抗水平荷载作用,比空腹桁架具有更好的抗震性能。2.3.3节点设计1）交错桁架结构的上弦杆与桁架腹杆的连接节点装配式交错桁架结构的上弦杆与桁架腹杆的连接是铰接的，采用节点板传递剪力，连接方法采用焊接连接；节点的设计步骤是：先根据腹杆内力计算腹杆与节点板连接焊缝的尺寸，然后根据焊缝长度的大小按比例绘出节点板的形状和尺寸，最后验算下弦杆与节点板的连接焊缝；受力简图见图2-9，计算公式详见交错桁架钢结构设计规程（JGJ/T329)。图2-9上弦杆-腹杆受力简图2）交错桁架结构的下弦杆与桁架腹杆的连接节点装配式交错桁架结构的下弦杆与桁架腹杆的连接铰接的，采用节点板传递剪力，桁架腹杆与下弦杆连接方式与上弦杆大致相同，不同的是楼板的摆放位置不同，对于上弦杆，楼板通常置于节点上端，连接方式不会影响楼板的布置。图2-10下弦杆-腹杆受力简图由于交错桁架下弦杆与腹杆连接的节点板上要在施工阶段预留出放置楼板的位置，使得h教大，导致h/t较大，板件稳定性教差。在使用阶段楼板就位后，在楼板的侧向支撑作用下楼板的稳定性有所提高，所以在进行节点设计时，h要考虑两种情况，在施工阶段，下弦节点板在弦杆与腹杆之间留空，h取受压腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至弦杆的净距离；在使用阶段，荷载较大，但此时弦杆与腹杆之间有楼板全部填实，可视为牢固的侧向支撑，h去受压腹杆连接肢端面中点沿腹杆轴线方向至楼板的净距离，节点板的无侧向支撑长度变小，从而节点板受压区长细比变小。3）交错桁架结构的桁架与柱的连接节点交错桁架中桁架的上弦杆和端部斜腹杆在与柱连接之前,已经连在一起,在与柱连接时,上弦杆和端斜杆又分别采用节点板与柱相连, 该节点可以按照连在一起的整体节点进行设计计算。可以将桁架中上弦杆与柱的连接节点板、上弦构件翼缘与柱的连接焊缝以及腹杆与柱的连接节点板看作一个节点进行设计,在计算节点的截面几何参数时扣除开洞处的相应几何参数;计算内力取值可以按照外力对整个节点板的中心取力矩作为弯矩,外力的水平分量作为连接截面的轴力,外力的竖向分量作为连接截面的剪力,按照普通的整体节点进行设计计算。2.4新型简化计算模型的提出与分析2.4.1水平交叉支撑模型的提出交错桁架钢结构设计规程JGJT 329-2015中规定：交错桁架结构在分析竖向荷载作用时，不宜计入组合梁效应。交错桁架结构在分析横向水平荷载时，宜计入组合梁效应。在计算模型中是否考虑平面桁架与混凝土楼板的组合作用，将对计算结果产生较大的影响。压型钢板组合楼板、现浇钢筋混凝土楼板、预应力空心混凝土叠合楼板通过抗剪连接件与桁架弦杆相连，混凝土楼板在一定程度上参与桁架弦杆的受力。美国AISC 设计指南“Steel Design GuideSeries 14: Staggered Truss Framing System”认为在竖向荷载作用下，桁架下弦杆产生轴拉力，鉴于混凝土材料不能有效传递拉力，建议分析竖向荷载作用时忽略楼板作用；分析横向荷载作用时，要考虑组合梁效应，楼板参与受力，但在横向水平荷载下的桁架内力分析时并不考虑楼板组合效应，而在最后弦杆内力组合时考虑楼板影响，AISC 设计指南采用如下假定：所有横向荷载引起的桁架弦杆轴力由混凝土楼板承受，不参与桁架弦杆的内力组合；横向荷载引起的桁架弦杆剪力和弯矩由弦杆承受，参与桁架弦杆的内力组合。在软件里实现这一条文需要建立两个空间模型用于确定弦杆的截面大小，即建立一个不带楼板的模型计算交错桁架结构在竖向荷载下的内力，其中楼板的面荷载通过手算导入到桁架弦杆上；建立一个带楼板的模型计算交错桁架在横向水平荷载下的内力，最后，将两个模型的内力提出，进行荷载组合再设计桁架弦杆截面。这种设计方法虽然可以实现对交错桁架各构件的设计，然而，这种方法需要手工提取各工况的内力，并对各工况的内力进行荷载组合，过程相当繁琐。因此，在这里提供一种设计方法，在结构设计软件中只需要建立一个模型，在竖向荷载下，该模型计算时不考虑桁架弦杆与楼板的组合梁作用，在横向水平荷载下，该模型计算时可以模拟楼板对结构整体分析的作用。在结构计算软件中，采用以水平交叉支撑代替楼板的设计方法来实现上述规范条文。以ETABS软件为例，在模型中不建立楼板单元，在各桁架节间，以水平交叉支撑来代替楼板，水平交叉支撑与桁架弦杆铰接，只受轴力，将实际结构中楼板的面荷载通过手算导入到楼板两端的横向弦杆上，计算模型（称为模型A）如下图2-11所示。其中，水平交叉支撑的截面形式采用方钢管截面，如图2-12所示，在软件中设置水平交叉支撑的质量、重量为0，即只考虑支撑对结构刚度的贡献。图2-11水平交叉支撑模型结构平面（模型A）图2-12方钢管截面此外，为了验证此模型的有效性，分别建立带楼板的模型（称为模型B，图2-13）和不带楼板的模型（称为模型C，图2-14）。图2-13带楼板模型结构平面（模型B）图2-14不带楼板模型结构平面（模型C）2.4.2水平交叉支撑模型在水平荷载计算时的适用性（1）水平交叉支撑截面的确定实际的交错桁架结构中，楼板的刚度对结构的刚度有很大的影响，在计算模型A中需要找到合适的水平交叉支撑截面尺寸，使得水平交叉支撑的刚度与楼板的刚度相同。为此，分别在模型A和模型B中的第三楼层的8号轴线处，给结构施加y方向的集中力，大小为100KN，提取结构在该位置的位移，如图2-15所示。调整水平交叉支撑的截面，使得两种模型中的位移相同，由此确定水平交叉支撑截面，截面为B255x13。模型A施加y方向集中力模型B施加y方向集中力图2-15施加y方向的集中力（2）周期与楼层刚度确定水平交叉支撑的截面后，在ETABS软件中分别计算分析模型A和模型B，得到结构的周期，两种模型的前10阶周期如表2.1所示。表2.1 两种模型的周期周期12345678910模型A1.3370.7710.7620.4220.2440.2380.2340.2040.1650.162模型B1.35707850.7790.4270.2580.2540.2370.1830.1640.154表2.2为从模型A和模型B中得到的结构各层的抗侧刚度。表2.2 结构各层抗侧刚度（KN/mm）横向纵向模型A模型B模型A模型B567.8463572.53643153.577145.78934527.5667526.99982159.8309149.39649521.2158496.24122164.2606152.46375543.157528.49466169.5923171.25814669.9289623.60126312.3342313.81859从表2.1和表2.2中可见，两种计算模型的周期和层抗侧刚度都非常接近，这代表采用水平交叉支撑代替楼板的模型是合理的，采用水平交叉支撑模型分析得到的结构的整体指标也是合理的。（3）桁架弦杆的内力图2-16为模型A和模型B在y方向地震荷载下桁架弦杆的内力包络图。模型A模型B（a）弯矩模型A模型B（b）剪力模型A模型B（c）轴力图2-16两种模型y方向地震荷载下桁架弦杆内力图从图中可见，采用模型A代替模型B时，桁架弦杆的弯矩、剪力都十分接近。桁架弦杆的轴力会有一定误差，在模型B中，桁架弦杆的轴力接近于0，因为此时考虑了弦杆与楼板的组合梁效应，弦杆轴力由混凝土楼板承受，而在模型A中，桁架弦杆轴力的数量级为100101KN，后文会讨论这种误差是否会影响到弦杆的设计。2.4.3水平交叉支撑模型在竖向荷载计算时的适用性（1）构件内力和结构变形按照JGJ的规定，在竖向荷载下，交错桁架结构计算分析时宜不考虑楼板的组合梁作用。这就要求水平交叉支撑模型在竖向荷载下结构构件的内力与结构变形应与无楼板模型相同。因此，在ETABS软件中定义水平交叉支撑在竖向荷载工况（恒载、活载、雪荷载）下的轴拉力和轴压力限值为0。这样定义以后，在竖向荷载下，水平交叉支撑将不受轴力，由于水平交叉支撑两端与桁架铰接，相当于此时水平交叉撑无任何作用。图2-17、图2-18为模型A和模型C在恒载下2号轴线桁架的内力和变形对比图。模型A 模型C（a） 弯矩模型A 模型C（b） 剪力模型A 模型C（c） 轴力图2-17模型A与模型B在2号轴线内力图模型A 模型C图2-18模型A与模型C在2号轴线变形图从图2-17、图2-18中可见，在竖向荷载下两种模型的内力和变形结果差别都很小，几乎完全相同。因此，可以采用模型A代替模型C分析交错桁架在竖向荷载下的状态。（2）桁架弦杆的轴力上文中模型A与模型B中桁架弦杆的轴力有一定的差别，在此，需要确定这种差别是否会影响到桁架弦杆的截面设计。图2-19、图2-20为模型A分析得到的交错桁架在地震作用和风荷载下桁架弦杆的轴力图，图2-21为模型A分析得到的结构在恒载作用下弦杆的轴力图。图2-19地震作用下桁架弦杆轴力图图2-20风荷载下桁架弦杆轴力图图2-21恒载下桁架弦杆轴力图对比图2-19、2-20、2-21中可知，在模型A中，同一桁架弦杆在恒载下的轴力在102KN的量级，在地震、风荷载下的轴力在100101KN量级，因此，弦杆的轴力设计值必然不是由地震、风荷载下的轴力控制，而是由竖向荷载下的工况控制。由于模型A可以准确地计算桁架弦杆在竖向荷载下的内力，因此，虽然模型A分析得到的水平荷载下桁架弦杆的轴力有一定的误差，但这并不影响弦杆的设计。因此，可以采用在计算模型中设置水平交叉支撑的设计方法来同时分析交错桁架在竖向、横向水平荷载下的受力，由此进行的设计也是准确的。2.4.4结论从上述分析对比中可见，在竖向荷载下，水平交叉支撑模型可以代替无楼板模型，结构的受力和变形与无楼板模型几乎完全相同。在横向水平荷载下，水平交叉支撑模型可以完全模拟交错桁架的整体性能，如周期、振型等；而桁架弦杆的轴力大于有楼板模型中弦杆的轴力，但并不会影响弦杆截面的设计。即在计算模型中采用水平交叉支撑代替楼板的设计方法是合理的。2.5本章小结本章从结构的组成、结构的布置、建筑的特点等方面对交错桁架进行了简要介绍，分析了交错桁架在竖向荷载和水平荷载下的受力性能，给出了规范对交错桁架结构设计的一般规定，着重介绍了在交错桁架结构分析模型中按等刚度原则采用水平交叉支撑模拟楼板的设计方法，建立了水平交叉支撑的设计模型，从而克服了传统交错桁架结构设计时需要分别建模计算竖向荷载和水平荷载工况下的指标并进行组合的弊端，大大减少了设计工作量，提高了设计效率。3关键应用技术研究3.1提高结构纵向刚度的新型方案钢交错桁架钢结构体系中桁架交错布置的特点使得建筑内部能够提供两个柱距的大空间，使得建筑空间布局更加灵活；同时，桁架又能够提供很大的横向刚度，再加上楼板对桁架弦杆产生的隔板效应，使得交错桁架体系的横向刚度比纵向要大很多。这样一来，就会使结构在地震或风荷载作用下产生比较大的扭转位移，影响结构安全和建筑物的正常使用。针对这一问题，国内外相关规范还未给出具体规定，因此，为了进一步推动交错桁架结构体系在建筑上的应用，针对该体系在横、纵两个方向刚度不协调问题，提出一套有效的解决方案。传统的提高结构侧向刚度的方法有桁架纵向加支撑、加钢板剪力墙等，这些方法确实可以有效地调提高结构的纵向刚度。然而，加支撑、加钢板剪力墙对建筑的影响很大，尤其是对柱距大的结构。因此，本文提供一种提高交错桁架体系纵向刚度的结构布置方案，在对建筑功能影响极小的前提下增大结构的纵向刚度，使交错桁架结构在纵横向的刚度协调。如图3-1所示，沿交错桁架纵向的两侧，在纵向框架梁和框架柱形成的纵向框架上，隔层、隔跨布置立柱于框架梁跨中，形成局部框架。这样布置后，立柱将原来的纵向框架梁一分为二，使得纵向框架梁的线刚度增大到约为原来的2倍，进而提高了框架梁与桁架连接节点的转动刚度，再加上立柱本身抗侧刚度的贡献，在不增大柱子截面的前提下极大地增大了结构各层的纵向抗侧刚度。（a）加立柱前结构三维图（b）加立柱后结构纵向布置图图3-1在结构纵向隔层、隔跨加立柱为了验证上述方案，本文以柯北宿舍楼1号楼交错桁架钢结构为基础，分别建立了纵向不加支撑、不加立柱的模型（模型1）和隔层、隔跨在纵向框架梁上加立柱的模型（模型2），如图3-2所示。（a） 模型1，纵向不加支撑、不加立柱（b）模型2，纵向隔层、隔跨加立柱图3-2 两种模型表3.1是图3-2中两种模型的抗侧刚度表，可见，加立柱以后结构各层的纵向刚度可以大幅提高，幅度在100%左右。表3.1加立柱对交错桁架刚度的影响（单位：KN/mm）模型1模型2横向刚度纵向刚度横向刚度纵向刚度565.16242146.61099564.00687304.46681655.61036160.89834655.07216331.22465514.34283152.39934518.87547323.32845529.25216133.86122537.56981274.54284669.59277147.36863682.25293262.49589与传统的加支撑、加钢板剪力墙等增大结构侧向刚度的方案相比，本方案具有以下两个优点：（1） 在大柱距、大层高的结构中，很难布置传统抗侧力构件如钢板剪力墙、支撑，此时采用本方案有明显的优势。（2） 本方案中，立柱布局巧妙，外形美观，对建筑空间的影响极小，施加的立柱也可作为建筑中两片外墙的接缝处。因此，纵向加立柱可以实现在对建筑影响极小的情况下增大结构纵向刚度，是一种十分值得推广的方法。3.2提高桁架弦杆局部抗弯承载力的方法交错桁架弦杆可采用上翼缘窄而厚，下翼缘宽而薄的不等翼缘H型钢构件，如图3-3所示。这种弦杆适用于楼板为预制-叠合楼板，且楼板为降板的形式，如图3-4所示。这种降板形式具有许多优点，首先是便于楼板下沉，预制板可以方便地铺排在弦杆宽的下翼缘上，由此增大室内净高，室内无梁露出；其次在预制板上浇筑混凝土，钢梁由于受到混凝土的包覆，可以不用防火涂料；最后，弦杆腹板可以射孔穿入钢筋抗剪键，使得楼板与弦杆可靠连接。图3-3桁架不等翼缘弦杆图3-4 不等翼缘弦杆与楼板降板当采用不等翼缘弦杆结合楼板降板的构造形式时，如前文所述，桁架与柱往往通过铰接节点连接，这导致桁架弦杆两侧靠近柱的侧节间（图3-5）的跨中弯矩比其他节间大，当桁架纵向柱距较大时，可能导致该节间桁架弦杆的跨中弯矩超过截面的抗弯承载力，而其他节间的抗弯承载力仍然足够。为了使桁架弦杆的抗弯承载力足够，常规的方法是加大弦杆截面的高度，然而，加大弦杆的截面高度可能使弦杆的上翼缘超出楼板的上平面，影响建筑的使用。图3-5 桁架需要加厚的区间因此，为解决上述技术问题，确有必要提供一种创新的提高交错桁架弦杆局部抗弯承载力的方法，以克服现有技术中的所述缺陷。针对图3-5中桁架弦杆仅仅是端节间的区域内抗弯承载力不足而其他区域抗弯承载力足够的情况，在此，提出在不改变弦杆高度的情况下，在弦杆弯矩局部过大的范围内，在弦杆的下翼缘底部焊接一块钢板，提高该部位的抗弯承载力的方法，同时也不会造成弦杆上翼缘端面超出楼板平面。具体的技术方案为：1）根据桁架弦杆的截面尺寸确定弦杆截面惯性矩I，根据弦杆的钢材型号确定弹性模量E和强度设计值fd，得到弦杆的抗弯承载力设计值M1，；2）分析计算桁架的结构受力，并得到桁架两侧靠近柱的节间弦杆的弯矩最大值M2，当M2M1时，两侧节间抗弯承载力不足，需要焊接钢板；3）钢板的长度a根据两侧节间弯矩超出M1的范围确定，一般可取（L为桁架两侧节间的跨度）；4）钢板的厚度t根据公式估算，式中h为弦杆的高度；5）在桁架的两侧节间，以跨中为中心，长度区域为a的范围内增大弦杆截面的下翼缘厚度，增大值为t，然后进行分析计算，根据计算结果调整确定最终需要焊接钢板的厚度T，使得钢板与桁架弦杆焊接后得到的截面的抗弯承载力满足要求；6）钢板的宽度b比弦杆下翼缘的宽度大40mm；7）在桁架的两侧节间，以跨中为中心，长度区域为a的范围内焊接钢板，钢板与弦杆下翼缘对中，在弦杆长度、宽度方向，将钢板与弦杆进行焊接。桁架弦杆局部贴焊的示意图如图3-6所示：图3-6 桁架弦杆贴板示意图（图中，1为弦杆；2为弦杆下翼缘端面；3为钢板；4为弦杆与钢板在弦杆长度方向的焊缝；5为弦杆与钢板在弦杆宽度方向的焊缝。）与现有技术相比，本技术具有如下有益效果：1）避免了因桁架弦杆抗弯承载力不足而加大弦杆截面高度，进而造成桁架上翼缘超出叠合板上平面的现象；2）在弦杆弯矩局部过大的地方焊接钢板，与弦杆全长范围内增大截面高度相比，节省了用钢量；3）钢板宽度方向略宽于弦杆下翼缘宽度，便于焊接。3.3柱-桁架全螺栓节点3.3.1节点的提出交错桁架中桁架与柱往往是铰接连接，对于柱-桁架节点，目前交错桁架钢结构设计规程JGJT329-2015中并没有给出建议的节点形式。因此，有必要提供一种可靠的柱-桁架节点形式。本文提供了一种柱-桁架的全螺栓连接节点，节点位置示意如图3-7，节点详图、剖面图、三维图如图3-8。图3-8中，连接板与柱在工厂中事先焊接完成，桁架弦杆、桁架斜腹杆也均与节点板在工厂中焊接完成，连接板与节点板预先开好螺栓孔。在施工现场，将制作好的桁架与柱拼接，使连接板和节点板上的螺栓孔对齐，然后进行螺栓连接。该节点具有以下几个优点：（1） 节点全螺栓连接，现场无需焊接，便于施工；（2） 节点构造简洁、传力明确。图3-7节点位置示意（a）节点详图（b）节点剖面图（图中，1为柱；2为桁架弦杆；3为桁架斜腹杆；4为节点板；51、52为连接板）（c）节点三维图图3-8节点详图3.3.2有限元分析为验证节点的安全性，采用ABAQUS对该节点进行了有限元分析。节点材料均为钢材，弹性模量E=206GPa，泊松比=0.3，钢材牌号为Q345，螺栓等级为10.9级，材料遵守von Mises屈服准则及相关的流动法则，采用理想弹塑性材料模型。节点模型采用三维实体单元C3D8R，柱上、下端固定。弦杆和斜腹杆根据ETABS分析得到的内力施加荷载，轴力转换为杆件截面的压强荷载，弦杆剪力转换为节点区域上翼缘压强荷载。同时，螺栓与连接板、连接板与连接板之间都进行了绑定（节点设计采用摩擦型高强螺栓，在设计内力范围内，连接板与连接板不产生滑移），使各个构件处于共同工作状态。节点分别建立了两个模型进行计算和分析，分别是弹性模型和考虑材料及几何非线性的弹塑性模型。节点模型如图3-9，具体分析结果如下：图3-9节点模型3.3.2.1弹性模型分析结果节点在承受设计荷载（k=1）时的计算结果如图3-10af所示，应力单位为Pa，变形单位为m。图3-10a节点mises应力云图图3-10b应力较大部位放大图图3-10c 应力超过300MPa的区域图3-10d 钢柱应力图3-10e弦杆和支撑应力图3-10f 螺栓应力弹性分析结果表明，在设计荷载（k=1）时，节点在连接板局部存在应力集中，但只有极小区域超过屈服应力，大部分区域未屈服，说明节点各板件处于安全状态。3.3.2.2弹塑性模型分析结果节点在承受极限荷载（K=2.00）时的计算结果如图3-11ab所示。图3-11a 破坏时应力图（不含螺栓）图3-11b 破坏时变形图图3-11c 节点荷载位移曲线在最不利内力分析基础上，以构件内力设计值的倍数K为纵坐标，柱外伸连接板中部（节点薄弱位置，见图3-12a）最大位移值为横坐标，得到节点板平面外方向的荷载-位移曲线如图3-13c所示。分析结果表明，在K小于1.6时，荷载与位移基本呈线性关系，K大于1.6后，荷载与位移的非线性关系比较明显，此时位移增加较快；K=2.00时，节点1达到极限状态，连接板大范围进入塑性，位移增加迅速加快，结构严重变形，节点整体承载能力达到极限，节点结构性能失效。综上所述，节点在整个承载过程中，塑性区开展较缓慢，设计极限承载力系数K=2.00，节点是可靠的。3.3.3对现有规范中节点板公式的建议交错桁架钢结构设计规程JGJT 329-2015中的10.0.7节对节点板的净截面极限抗拉承载力做了如下公式要求：（1）（2）（3）式中：节点板净截面极限抗拉承载力最小值（KN）；节点板有效宽度截面的拉屈服承载力（KN）；按有效宽度计算的净截面面积（mm2）；按有效宽度计算的毛截面面积（mm2）；节点板钢材的极限抗拉强度最小值（KN/mm2）；节点板钢材的屈服强度（KN/mm2）；将上述公式（2）、（3）带入公式（1）可以得到（4）将式（3）化简可以得到（5）由于毛截面面积总是不小于净截面面积，因此，式（5）可以进一步得到：（6）即JGJT 329-2015中的这条规定本质上是对节点板材料的强屈比的规定，按此规定，节点板材料的强屈比需要不小于1.6。这就对节点板的选材提出了很高的要求，且强屈比过大会造成钢材强度的利用率偏低，因此建议对此数字稍作放松。3.4减小端斜腹杆截面尺寸的方法相比桁架中的其他杆件，端斜腹杆往往会受到更大的轴力，此外，交错桁架钢结构设计规程JGJ/T 329-2015中规定，桁架的端斜腹杆的轴力设计值应乘以增大系数1.4，这造成了端斜腹杆的轴力设计值很大。在交错桁架中，端斜腹杆可以选用矩形钢管截面，为了保证斜腹杆的强度和稳定，斜腹杆的截面往往会设计的很大。通过加大矩形钢管端斜腹杆在桁架平面外方向的宽度能够有效提高其稳定承载力，但是会造成桁架形成的墙的厚度增大，占用建筑使用面积，造成经济上的损失。考虑加大矩形钢管端斜腹杆在桁架平面内的高度，然而该方法对于提高端斜腹杆绕弱轴的轴压稳定承载力的效果并不明显，而且轴心受压构件宽