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2020年 第35卷 第11期
2020, 35(11): 1-24.
doi: 10.13206/j.gjgSE20042101
摘要
PDF (32065KB)
摘要:
交错桁架框架结构体系（STF结构体系）具有高效、实用、经济的特点，符合建筑工业化发展的趋势，目前已经在我国低烈度抗震设防区域逐步推广应用，众多的优点使其对中高烈度抗震设防区域也有较大的吸引力，其桁架可采用混合式桁架、空腹式桁架或帕式桁架。相对于空腹式桁架以及帕式桁架，混合式桁架因其刚度适中，并且空腹区域可以设置为内走廊等优点，应用最为广泛。已有试验结果表明，虽然混合式STF结构体系受力性能良好，但耗能能力较弱，结构抗震性能有待提升。为改善混合式STF结构的抗震性能，提出在桁架跨中设置两边连接钢板（TSCSP），并将跨中作为消能段用以耗能的延性交错桁架框架结构称之为两边连接钢板式交错桁架框架结构（TSCSP-STF结构）。在多遇地震作用下，消能段中的钢板既不屈曲也不屈服；在罕遇地震作用下，仅消能段中的钢板屈服耗能，非消能段桁架保持弹性，从而提高混合式STF结构的延性和耗能能力，有效改善混合式STF结构易发生腹杆失稳破坏的问题。
在分析了消能段剪切承载力需求的基础上，推导了两边连接钢板剪切承载力需求的计算方法，并将两边连接钢板等效为偏心交叉支撑，建立TSCSP-STF结构的简化分析模型，进而建立结构体系的塑性设计方法和流程。根据文中提出的塑性设计方法，设计一个10层的TSCSP-STF结构，并按照已有文献提出的塑性设计方法，设计一个10层混合式STF结构进行对比分析，设计目标是在两个结构设计条件相同且含钢率接近的情况下，使两种结构都能充分发挥消能段的耗能能力。对设计的两个试件分别采用振型分解反应谱法和Pushover方法对比分析其承载力以及抗震性能。
有限元分析结果表明：在多遇地震作用下，构件均能保持弹性；在罕遇地震作用下，消能构件可以充分耗散地震能量，保护延性区段外构件不会破坏；STF试件的塑性铰集中在空腹节间的端部，沿楼层分布较均匀；TSCSP-STF试件的塑性铰主要出现在消能段的拉、压支撑杆上，分布也比较均匀；根据塑性设计方法设计的TSCSP-STF结构和混合式STF结构均能满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》关于罕遇地震下对承载力、变形和稳定性的要求，而试件TSCSP-STF的层间位移分布得更为均匀，减小了薄弱层出现的可能性，延性相对更好。
交错桁架框架结构体系（STF结构体系）具有高效、实用、经济的特点，符合建筑工业化发展的趋势，目前已经在我国低烈度抗震设防区域逐步推广应用，众多的优点使其对中高烈度抗震设防区域也有较大的吸引力，其桁架可采用混合式桁架、空腹式桁架或帕式桁架。相对于空腹式桁架以及帕式桁架，混合式桁架因其刚度适中，并且空腹区域可以设置为内走廊等优点，应用最为广泛。已有试验结果表明，虽然混合式STF结构体系受力性能良好，但耗能能力较弱，结构抗震性能有待提升。为改善混合式STF结构的抗震性能，提出在桁架跨中设置两边连接钢板（TSCSP），并将跨中作为消能段用以耗能的延性交错桁架框架结构称之为两边连接钢板式交错桁架框架结构（TSCSP-STF结构）。在多遇地震作用下，消能段中的钢板既不屈曲也不屈服；在罕遇地震作用下，仅消能段中的钢板屈服耗能，非消能段桁架保持弹性，从而提高混合式STF结构的延性和耗能能力，有效改善混合式STF结构易发生腹杆失稳破坏的问题。
在分析了消能段剪切承载力需求的基础上，推导了两边连接钢板剪切承载力需求的计算方法，并将两边连接钢板等效为偏心交叉支撑，建立TSCSP-STF结构的简化分析模型，进而建立结构体系的塑性设计方法和流程。根据文中提出的塑性设计方法，设计一个10层的TSCSP-STF结构，并按照已有文献提出的塑性设计方法，设计一个10层混合式STF结构进行对比分析，设计目标是在两个结构设计条件相同且含钢率接近的情况下，使两种结构都能充分发挥消能段的耗能能力。对设计的两个试件分别采用振型分解反应谱法和Pushover方法对比分析其承载力以及抗震性能。
有限元分析结果表明：在多遇地震作用下，构件均能保持弹性；在罕遇地震作用下，消能构件可以充分耗散地震能量，保护延性区段外构件不会破坏；STF试件的塑性铰集中在空腹节间的端部，沿楼层分布较均匀；TSCSP-STF试件的塑性铰主要出现在消能段的拉、压支撑杆上，分布也比较均匀；根据塑性设计方法设计的TSCSP-STF结构和混合式STF结构均能满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》关于罕遇地震下对承载力、变形和稳定性的要求，而试件TSCSP-STF的层间位移分布得更为均匀，减小了薄弱层出现的可能性，延性相对更好。
2020, 35(11): 25-39.
doi: 10.13206/j.gjgSE20042102
摘要:
交错桁架结构体系产生于20世纪60年代中期，具有开间大、建筑布置自由、自重轻、施工速度快等优点。交错桁架结构整体受力性能好且自重较轻，其框架柱的内力一般较小，使得体系内钢柱的设计往往由长细比控制。中建科技有限公司设计开发的钢筋混凝土（RC）柱-交错桁架结构，采用预制RC柱替代传统钢柱，在保证结构性能与施工便利性的前提下，有效降低结构造价。以某实际工程为背景，利用MSC.MARC软件建立抗震设防烈度为7度（0.1g）的9层RC柱-交错桁架结构有限元模型，并采用倒三角分布加载模式对结构开展静力弹塑性分析。根据能力谱法求得结构的性能点状态，分别从楼层位移、层间位移角和构件屈服顺序三个方面分析了结构的抗震性能。在原有限元模型的基础上建立了3个局部斜腹杆失效的RC柱-交错桁架结构有限元模型，评估局部斜腹杆失效对结构抗震性能的影响。
研究结果表明：1） RC柱-交错桁架结构具有抗侧刚度大的特点，多遇地震作用下的弹性层间位移角和罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角都远小于JGJ/T 329—2015《交错桁架钢结构设计规程》限值，最大层间位移角分别出现在第3层与第2层；2）构件屈服最早出现在靠近外侧的交错桁架中下部的斜腹杆，随着地震作用的增大，内侧交错桁架斜腹杆也逐渐屈服；3）局部斜腹杆失效的结构与原结构的结构能力曲线基本重合，随着抗震设防水准的提高，顶点位移的差距由8%下降到3%；4）在多遇地震设防水准下，局部斜腹杆失效使对应轴线的最大层间位移角最多增加32.7%，在罕遇地震设防水准下最多增加17.8%，但弹性层间位移角和弹塑性层间位移角仍远小于规范限值；5）局部斜腹杆失效会使结构在罕遇地震设防水准下屈服构件数量增加（2~4根斜腹杆），但结构整体仍处于弹性状态。RC柱-交错桁架结构整体抗震性能良好，能够满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防要求，在局部斜腹杆失效的情况下，结构抗震性能虽有所下降，但依然能够满足抗震设防要求。
交错桁架结构体系产生于20世纪60年代中期，具有开间大、建筑布置自由、自重轻、施工速度快等优点。交错桁架结构整体受力性能好且自重较轻，其框架柱的内力一般较小，使得体系内钢柱的设计往往由长细比控制。中建科技有限公司设计开发的钢筋混凝土（RC）柱-交错桁架结构，采用预制RC柱替代传统钢柱，在保证结构性能与施工便利性的前提下，有效降低结构造价。以某实际工程为背景，利用MSC.MARC软件建立抗震设防烈度为7度（0.1g）的9层RC柱-交错桁架结构有限元模型，并采用倒三角分布加载模式对结构开展静力弹塑性分析。根据能力谱法求得结构的性能点状态，分别从楼层位移、层间位移角和构件屈服顺序三个方面分析了结构的抗震性能。在原有限元模型的基础上建立了3个局部斜腹杆失效的RC柱-交错桁架结构有限元模型，评估局部斜腹杆失效对结构抗震性能的影响。
研究结果表明：1） RC柱-交错桁架结构具有抗侧刚度大的特点，多遇地震作用下的弹性层间位移角和罕遇地震作用下的弹塑性层间位移角都远小于JGJ/T 329—2015《交错桁架钢结构设计规程》限值，最大层间位移角分别出现在第3层与第2层；2）构件屈服最早出现在靠近外侧的交错桁架中下部的斜腹杆，随着地震作用的增大，内侧交错桁架斜腹杆也逐渐屈服；3）局部斜腹杆失效的结构与原结构的结构能力曲线基本重合，随着抗震设防水准的提高，顶点位移的差距由8%下降到3%；4）在多遇地震设防水准下，局部斜腹杆失效使对应轴线的最大层间位移角最多增加32.7%，在罕遇地震设防水准下最多增加17.8%，但弹性层间位移角和弹塑性层间位移角仍远小于规范限值；5）局部斜腹杆失效会使结构在罕遇地震设防水准下屈服构件数量增加（2~4根斜腹杆），但结构整体仍处于弹性状态。RC柱-交错桁架结构整体抗震性能良好，能够满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设防要求，在局部斜腹杆失效的情况下，结构抗震性能虽有所下降，但依然能够满足抗震设防要求。
2020, 35(11): 40-54.
doi: 10.13206/j.gjgSE20042001
摘要:
交错桁架结构体系最早于20世纪60年代出现于美国，并得到了广泛应用，典型的交错桁架结构体系主要由柱、楼板及平面桁架等构件组成，柱可采用H型钢柱、钢管柱、钢管混凝土柱等，楼板可以采用空心楼板、叠合楼板、现浇钢筋混凝土楼板等，桁架可以采用空腹式桁架、帕式桁架或混合式桁架。该结构体系具有开间大、施工便捷、经济、高效、环保等优势，同时其结构质量轻、整体受力性能好，柱内力一般较小，导致采用钢柱时设计控制指标通常为长细比，造成了材料的浪费。预制钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）柱具有实心截面且施工便捷的优势，运用在交错桁架结构体系中，可以更充分地利用柱的力学性能，进而提高交错桁架结构体系的经济效益。然而，要实现RC柱的应用必须先实现柱-桁架节点的可靠连接。中建科技有限公司设计开发了采用预制RC柱、钢桁架和预应力混凝土楼板的装配式交错桁架结构，重庆大学对该结构体系进行了静力弹塑性分析，以评估其抗震性能。国内外学者对交错桁架结构体系中的桁架及结构体系抗震性能进行了大量的试验研究与理论分析，但对于交错桁架结构体系节点仅少量学者进行了一些较为初步的研究，且主要针对钢或钢管混凝土柱-桁架节点。
为研究交错桁架体系中RC柱与桁架连接节点的受力性能，基于ABSQUS有限元软件，针对该工程中采用的典型RC柱-桁架节点，即RC柱与上弦杆和斜腹杆连接处的牛腿加预埋板式节点，建立了有限元模型，对其在结构设计分析中出现的5种最不利工况下的应力分布、斜腹杆荷载-位移曲线以及弦杆截面内力进行了分析，主要研究参数包括RC柱轴压比、是否限制弦杆水平位移及斜腹杆的受力情况。研究结果表明：1）杆件内力可通过节点板传至牛腿或预埋钢板，再通过锚杆传至柱内，传力路径明确，节点设计合理。2）各类杆件均先于节点区钢筋屈服，满足“强节点，弱构件”的设计要求。3）不释放弦杆水平位移的工况中，弦杆和斜腹杆强度利用更充分，柱中钢筋应力发展程度较释放弦杆水平位移的工况弱。4）不释放弦杆水平位移时，由于此时弦杆和斜腹杆强度利用更充分，柱中钢筋应力发挥程度不高，因此承载力和位移均更大；轴压比为0的工况中，斜腹杆荷载在位移为5 mm之前随位移线性增大，5 mm之后由于节点区塑性变形增长，荷载随位移增长速率减慢。5）峰值荷载时，除轴压力为0工况的剪力外，其他工况下弦杆的弯矩和剪力均较小；限制弦杆水平位移的工况下的弦杆轴力明显大于释放弦杆水平位移的工况，且斜腹杆峰值荷载提高约10%。6）为减轻由于牛腿造成的柱偏心效应，建议适当增加钢筋混凝土的纵筋配筋率，以提高其安全储备。
交错桁架结构体系最早于20世纪60年代出现于美国，并得到了广泛应用，典型的交错桁架结构体系主要由柱、楼板及平面桁架等构件组成，柱可采用H型钢柱、钢管柱、钢管混凝土柱等，楼板可以采用空心楼板、叠合楼板、现浇钢筋混凝土楼板等，桁架可以采用空腹式桁架、帕式桁架或混合式桁架。该结构体系具有开间大、施工便捷、经济、高效、环保等优势，同时其结构质量轻、整体受力性能好，柱内力一般较小，导致采用钢柱时设计控制指标通常为长细比，造成了材料的浪费。预制钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）柱具有实心截面且施工便捷的优势，运用在交错桁架结构体系中，可以更充分地利用柱的力学性能，进而提高交错桁架结构体系的经济效益。然而，要实现RC柱的应用必须先实现柱-桁架节点的可靠连接。中建科技有限公司设计开发了采用预制RC柱、钢桁架和预应力混凝土楼板的装配式交错桁架结构，重庆大学对该结构体系进行了静力弹塑性分析，以评估其抗震性能。国内外学者对交错桁架结构体系中的桁架及结构体系抗震性能进行了大量的试验研究与理论分析，但对于交错桁架结构体系节点仅少量学者进行了一些较为初步的研究，且主要针对钢或钢管混凝土柱-桁架节点。
为研究交错桁架体系中RC柱与桁架连接节点的受力性能，基于ABSQUS有限元软件，针对该工程中采用的典型RC柱-桁架节点，即RC柱与上弦杆和斜腹杆连接处的牛腿加预埋板式节点，建立了有限元模型，对其在结构设计分析中出现的5种最不利工况下的应力分布、斜腹杆荷载-位移曲线以及弦杆截面内力进行了分析，主要研究参数包括RC柱轴压比、是否限制弦杆水平位移及斜腹杆的受力情况。研究结果表明：1）杆件内力可通过节点板传至牛腿或预埋钢板，再通过锚杆传至柱内，传力路径明确，节点设计合理。2）各类杆件均先于节点区钢筋屈服，满足“强节点，弱构件”的设计要求。3）不释放弦杆水平位移的工况中，弦杆和斜腹杆强度利用更充分，柱中钢筋应力发展程度较释放弦杆水平位移的工况弱。4）不释放弦杆水平位移时，由于此时弦杆和斜腹杆强度利用更充分，柱中钢筋应力发挥程度不高，因此承载力和位移均更大；轴压比为0的工况中，斜腹杆荷载在位移为5 mm之前随位移线性增大，5 mm之后由于节点区塑性变形增长，荷载随位移增长速率减慢。5）峰值荷载时，除轴压力为0工况的剪力外，其他工况下弦杆的弯矩和剪力均较小；限制弦杆水平位移的工况下的弦杆轴力明显大于释放弦杆水平位移的工况，且斜腹杆峰值荷载提高约10%。6）为减轻由于牛腿造成的柱偏心效应，建议适当增加钢筋混凝土的纵筋配筋率，以提高其安全储备。
2020, 35(11): 55-64.
doi: 10.13206/j.gjgS20042601
摘要:
交错桁架结构具有大跨度、大空间、刚度大、经济性好等特点，是一种新型的装配式钢结构体系。但是装配式交错桁架结构体系由于其独特的结构构造，其计算方法完全不同于传统钢框架结构，尤其交错桁架结构体系的整体计算分析楼面的假定对整体计算指标影响较大；以及装配式交错桁架结构在设计阶段计算分析时如何考虑施工对平面桁架的影响也是控制指标。通过对交错桁架结构关键的技术进行分析，并结合杭州萧山国际机场5、6号公寓楼项目，着重分析交错桁架结构在设计、施工过程中的桁架布置、楼板计算，以及对工程项目进行了弹性反应谱法分析及静力弹塑性分析，探究了交错桁架结构塑性发展机制。研究表明，简化的楼面计算模型解决了交错桁架设计阶段的计算问题，是一种可以直接应用的建模计算方法；并通过ETBAS和盈建科两款有限元分析软件的对比分析可知，钢结构装配式交错桁架结构具有良好的耗能机制及抗震性能，是一种值得推广应用的装配式结构体系。
交错桁架结构具有大跨度、大空间、刚度大、经济性好等特点，是一种新型的装配式钢结构体系。但是装配式交错桁架结构体系由于其独特的结构构造，其计算方法完全不同于传统钢框架结构，尤其交错桁架结构体系的整体计算分析楼面的假定对整体计算指标影响较大；以及装配式交错桁架结构在设计阶段计算分析时如何考虑施工对平面桁架的影响也是控制指标。通过对交错桁架结构关键的技术进行分析，并结合杭州萧山国际机场5、6号公寓楼项目，着重分析交错桁架结构在设计、施工过程中的桁架布置、楼板计算，以及对工程项目进行了弹性反应谱法分析及静力弹塑性分析，探究了交错桁架结构塑性发展机制。研究表明，简化的楼面计算模型解决了交错桁架设计阶段的计算问题，是一种可以直接应用的建模计算方法；并通过ETBAS和盈建科两款有限元分析软件的对比分析可知，钢结构装配式交错桁架结构具有良好的耗能机制及抗震性能，是一种值得推广应用的装配式结构体系。
