第39卷第3期2007年6月西安建筑科技大学学报(自然科学版)J1Xi.an Univ.of Arch.&Tech.(N atur al Science Edition)V ol.39N o.3Jun.2007交错桁架结构的设计卢林枫1,周绪红2,刘永健1,莫涛3,周期石4(1.长安大学,陕西西安710064;2.兰州大学,甘肃兰州730000;3.湖南大学,湖南长沙410082;4.中南大学,湖南长沙410083)摘要:采用P KP M系列软件和有限元程序SAP2000,分析了钢框架-剪力墙和交错桁架-剪力墙两种结构方案的抗震、抗风性能,以及在满足设计规范前提下的结构用钢量.对比设计结果显示,交错桁架-剪力墙比钢框架-剪力墙用钢量低,纵向框架结构形式对交错桁架的用钢量有一定影响,设计时宜采用剪力墙或支撑体系增强纵向框架刚度.关键词:交错桁架;钢结构住宅;钢结构设计;经济评价中图分类号:T U393.2文献标识码:A文章编号:1006-7930(2007)03-0308-06交错桁架结构是一种理想的住宅结构体系,既能提供较大的建筑空间又具有较好的抗侧力性能.但目前关于高层交错桁架结构与其他结构体系经济性对比的技术数据还主要来自国外研究成果[1],为重点考察交错桁架结构经济性能,对福州市某城市广场工程15层商住酒店式公寓主楼结构方案作对比分析.该公寓主体建筑1~4层长81.6m,5~15层长71.6m,宽16m;1层层高6.5m,2~4层层高5.0 m,5~14层层高3.15m,15层层高3.9m.原设计在对比了矩形钢管混凝土框架-剪力墙结构和矩形钢管混凝土框架-钢支撑体系两种方案后,用了矩形钢管混凝土框架-剪力墙结构,框架柱均为箱型600@ 600@12内灌C50混凝土.由于矩形钢管混凝土框架-剪力墙结构比钢筋混凝土框架-剪力墙结构成本高,所以该项目的拟施工单位委托我们做以交错桁架为主要受力体系的结构方案,以期降低工程的结构成本.本文提出了两种不同柱距的交错桁架-剪力墙、支撑体系结构方案,并且与原矩形钢管混凝土框架-剪力墙结构方案作了对比分析,着重比较了不同结构方案的技术指标和经济性能.1交错桁架结构设计方案1.14m柱距方案建筑设计方案中公寓楼房间都为4m开间,适合选择4m柱距的交错桁架方案(简称方案一).由于该工程1~4层为商场,建筑要求在这些楼层不能布置桁架,故1~4层仍采用矩形钢管混凝土框架-剪力墙结构,框架按4m设置柱距,5~15层采用钢结构交错桁架-剪力墙结构.由于交错桁架横向刚度较大,为减小层间刚度的突变,在1~4层局部框架间增设了偏心支撑,平面结构布置见图1.采用小柱距可以增强结构的刚度并使结构传力更加平缓,在减小楼板厚度的同时可以不布置次梁,减轻了上部建筑物的荷载,有利于降低地基和基础成本和提高结构抗震性能.交错桁架体系横向由桁架和剪力墙(支撑体系)承担侧向力结构采用混合式桁架对抗质有利[2],桁架采用5节间桁架形式(见图2),弦杆为250@250@10方管,腹杆为200@200@10方管,空腹节间尺寸由建筑方案的走廊宽度确定,空腹节间可作为结构的耗能机制来改善结构的抗震性能.在纵向,设置H350@120@6@8框架梁,形成4m小柱距框架,而且剪力墙直通向屋面,所以纵向已形成了钢框架-剪力墙结构.*收稿日期:2006-03-24基金项目:国家自然科学基金资助项目(50078021);教育部科学技术研究重点项目(99089);高等学校博士学科点专项科研基金项目(2000053203)作者简介:卢林枫(1972-),男,黑龙江龙江人,副教授,博士,主要从事新型钢结构体系分析与设计方法研究.柱子是交错桁架体系中最重要的构件之一,而且是纵向主要的抗侧力构件.初步计算时,考虑了等截面方钢管(1~4层填充C50混凝土)柱和H 型钢柱两种形式.计算结果表明:由于底部数层的层高较大,为满足抗震设计对楼层侧移的要求,采用H 型钢柱,会增加柱子用钢量.因此,本方案1~4层柱子为箱型400@400@10内灌C50混凝土,5~15层为箱型400@400@14,所有框架梁均采用焊接H 型钢.图1 4m 柱距交错桁架方案Fig.1 S taggered truss schem e of the 4m columnspacing图2 5节间桁架Fig.2 T russ w ith five panels1.2 8m 柱距方案为进一步了解几何参数变化对交错桁架结构经济性的影响,本文又提出8m 柱距交错桁架结构方案(简称方案二).1~4层仍采用矩形钢管混凝土框架-剪力墙结构体系,框架按照原设计方案8米的柱距设置,局部框架间增设了偏心支撑,而5~15层采用8m 柱距的交错桁架结构体系.由于采用较大的柱距,为配合国内现有楼板厚度需要布置一些次梁,从而增加了钢梁的用钢量,但柱子数量较4m 柱距方案却减少了,该方案的平面结构布置见图3.方案二桁架形式同方案一(图2),但弦杆改为300@300@12方管,腹杆为200@200@10和250@250@10两种方管.1~4层仍为方钢管混凝土柱,箱型600@600@12内灌C50混凝土;5~15层采用了变截面方形钢管柱,由于柱距变大,每榀框架负担的荷载增大,柱子截面在1~10层有所增大,5~10层为箱型600@600@20,11~15层为箱型400@400@14.1.3 结构用钢材牌号上述两种交错桁架结构方案和原矩形钢管混凝土框架-剪力墙结构方案中所有钢构件材质均为309第6期 卢林枫等:交错桁架结构的设计图3 8m 柱距交错桁架方案Fig.3 S taggered truss schem e of the 8m column spacingQ345B 级钢.材料的各项指标要满足国家标准5低合金高强度结构钢6(GB/T1591)的规定,而且要求强屈比不小于1.2.2 结构分析2.1 分析程序由图1和图3结构平面布置可知,两种方案都属于平面刚度分布不均匀的结构设计[3],根据现行5高层民用钢结构技术规程6(JGJ99-98)[4]的相关条文规定,宜采用空间结构模型计算.结构分析采用国内最常用的设计软件PKPM 系列,STS 钢结构模块用于结构建模和荷载输入,SATWE 空间有限元分析模块用于结构整体计算分析.采用PKPM 软件不需要自己定义单元类型和荷载组合方式,而且对计算结果可直接验算是否满足我国有相关的设计规范.在直接采用设计软件PKPM 设计的同时,也采用了通用有限元计算软件SAP2000做辅助校核.2.2 设计条件和荷载工况根据建筑物所在地的基本自然情况和建筑类型,查得基本风压为0.70kN /m 2,场地为III 类场地土,7度抗震设防,建筑物为乙类建筑.由建筑和结构做法确定的结构设计荷载见表1.在运行SAT WE 模块分析时,荷载工况直接使用SATWE 模块设置的26种荷载组合形式;再采用SAP2000按SAT WE 计算书显示的控制设计的荷载组合形式,人工输入荷载组合系数,作辅助验算.表1 设计荷载T ab.1 Designed load F loo r live load/kN #m -2Floo r permanent load/kN #m -2M ar ket and stair3.5Flat building 2.0Roo fing 2.0First flo or 6.52nd~4th floor 5.0Flat building 5.0Roo fing 6.02.3 PKPM 建模过程1~4层为矩形钢管混凝土框架-剪力墙,在内力和变形计算时,对1~4层内填充混凝土的框架柱,310 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报(自然科学版) 第38卷执行5矩形钢管混凝土结构技术规程6(CECS159:2004)[5]第5.2.2条规定,按规定的抗弯刚度、抗压刚度公式,将矩形钢管混凝土柱等效换算成方钢管柱,将原结构换算成钢框架-剪力墙.2.3.1 构件定义结构建模在PKPM 的ST S 模块中完成,需要定义建模需要的各种构件截面.所有柱子及桁架的竖腹杆以/柱定义0方式确定;桁架的弦杆和框架梁及次梁以/主梁定义0方式定义;桁架所有斜腹杆和支撑按/斜杆定义0方式输入;剪力墙按/墙定义0方式输入.2.3.2 楼层定义由于1~4层结构形式完全一样,建模时只需定义一个结构标准层;而交错桁架每一层由于桁架位置不同,同时为了修改方便,每层交错桁架定义一个标准层.对应于每层桁架所在轴线的位置,依次布置柱子、桁架竖腹杆和本层桁架的上弦杆,而每层桁架的下弦杆是在布置前一层结构时就已经布置完毕.此处的难点在于桁架斜腹杆的布置,斜腹杆需按预先划分桁架节间的轴线点位置确定其倾斜方向.如果斜杆以低标高点向高标高点划线确定,则斜杆第1个节点需要输入其标高相对于本层地面的标高为/00值,而另一个点则需输入相对于本层地面的标高为/10值,意味着这个点的标高和层高相同.其他如荷载定义、楼层组装、楼板输入等过程,大家都不陌生,为节省篇幅,一并省略.2.4 SATWE 特殊构件和关键参数2.4.1 SAT WE 特殊构件处理在STS 模块建完计算模型后,依次完成荷载定义、楼层组装、楼板输入等过程,在进入SATWE 模块的设计和验算过程.由于交错桁架的构件节点具有以下特征:交错桁架体系桁架的腹杆与弦杆的连接以及弦杆与柱子的连接在计算时要按半铰接处理,而桁架弦杆要按连续压弯杆件设计[6].为在PKPM 分析中实现上述节点特性,需要在SAT WE 模块/分析与设计参数补充定义0中选择/特殊构件补充定义0菜单,对各个标准层桁架弦杆、竖腹杆进行处理.弦杆与柱子的半铰接是通过将与柱子相连节间的弦杆,定义为/一端铰接0的/特殊梁0来实现的.竖腹杆需要将其定义为/两端铰接0的/特殊柱0来完成的.由于斜腹杆在SATWE 模块中已经默认为是/两端铰接0的二力杆件,此处不需另外定义.2.4.2 SAT WE 关键设计参数选择在菜单/分析与设计参数定义0中,对一些关键参数作如下选择:¹/结构规则性信息0选择/不规则0;º考虑双向水平地震作用和偶然偏心;»交错桁架结构的墙体采用轻质墙体,周期折减系数取值0.95;¼钢梁为不调幅梁,负弯矩调整系数取1.0,考虑楼板组合效应后的钢梁刚度放大系数按5高层民用钢结构技术规程6(JGJ99-98)规定,中梁刚度放大系数取1.5,边梁刚度放大系数取1.2.2.4.3 SAT WE 关键计算参数控制PKPM 程序根据结构的特点,按照5钢结构设计规范6(GB50017-2003[7]和5高层民用建筑钢结构技术规程6(JGJ98-99)中所给公式对钢构件进行截面整体稳定、局部稳定和强度、刚度的验算;按5混凝土结构设计规范6(GB50010-2002)[8]对剪力墙进行配筋和验算.设计时柱子轴压比限值取为0.8,柱子应力比限值取为0.90;而桁架弦杆和梁应力比限值取为0.95;桁架腹杆和支撑应力比限值取为1.上述处理方式,可以保证结构在遭遇强震时,构件破坏次序为:桁架腹杆和支撑y 梁y 柱,体现多道结构抗震防线的设计理念.余下步骤就是结构分析、截面配筋设计与验算,以及分析结果的后处理.检验结构设计是否满足设计规范的要求.如不满足,需重新设计构件,再运行前述各个过程.2.5 SAP2000辅助验算辅助验算采用了通用有限元计算软件SAP2000,Frame 单元模拟框架柱、梁、桁架和支撑的受力特性.楼板则采用能够同时考虑平面内外荷载和变形的四点空间板壳Shell 单元模拟,地震作用采用振型分解反应谱法计算.观察两种计算软件的对比计算结果,发现二者的结果相差不到10%,SA TWE 的计算结果更保守一些,所以提供的计算数据均为SATWE 的计算结果.三种结构方案的一些技术指标数据和用钢量如311第6期 卢林枫等:交错桁架结构的设计表2所示.表2结构分析结果T ab.2Results of s tr uctural analysisScheme name F undamentalperiod/sT he lar gest later al sto ry-dr iftang le under ear thquakeT he larg est lateral stor y-driftang le under w indsteel co nsumpt ion/kg#m-2P rimar y scheme 1.78081/9561/124575 Scheme1 2.5321/8561/76745Scheme2 1.4571/12601/1767603方案评价3.1技术指标评价原设计方案在弹性设计阶段,结构基本周期为T1=1.7808s,其他数据指标也基本反映了钢框架-剪力墙结构侧移刚度较大的特点,但用钢量也较大.而方案1采用4m柱距的交错桁架,在用钢量显著降低的同时,结构基本周期提高显著,结构抗震性能得到了明显改善.方案2采用8m柱距的交错桁架,结构侧移刚度得到显著提高,甚至高于原方案结构的侧移刚度,用钢量较方案1有所增加,但仍低于原方案.3.2经济指标评价(1)自重轻节约基础成本.一般高层钢结构自重约为混凝土结构自重的1/2~3/5,结构自重可降低40%以上.交错桁架结构自重较普通钢框架-剪力墙更轻,可以使基础的造价降低,尤其在南方软土地区结构自重降低40%后,基础造价的降低幅度则更为明显.(2)增加建筑使用面积.与钢筋混凝土材料柱子相比,钢结构柱截面面积小,其外轮廓面积仅为钢筋混凝土柱的1/3,从而可增加建筑有效使用面积.高层建筑中,钢柱的截面面积占建筑面积的3%左右,而混凝土柱的截面面积占建筑面积的7%~9%[9].(3)工期短.钢结构的施工速度约为混凝土结构施工速度的1.5倍.结构施工周期的缩短,可使整个建筑更早投入使用,缩短贷款建设的还贷时间,从而减少借贷利息.假设本项目投资回收期为三年左右,采用钢结构比采用混凝土可以提前半年使用,则近似地相当于采用钢结构比采用混凝土结构节省投资18%[9].(4)套用福建省概(预)算定额对方案1的结构成本作了概算,该方案的结构概算成本约为1330元/m2,高于钢筋混凝土框架-剪力墙结构方案1000元/m2的概算.但这一价差会因前述3条优点得到一定的补偿,从而提高了工程的综合经济效益.例如,该项目销售价格均价为5000元/m2,按最低增加建筑面积4%计算,此项就相应对结构成本补偿了200元/m2.4结论(1)对于越来越普遍的商住写字楼或酒店式公寓,采用交错桁架与剪力墙或支撑体系组成受力结构,可以收到令人满意的效果.(2)交错桁架体系的纵向刚度弱于横向刚度,要保证纵向层间位移角满足规范要求,宜设置剪力墙或支撑体系来增加刚度,减小位移.这也说明,交错桁架体系中,不宜在纵向采用纯刚性框架作为主要抗侧力体系,否则会增加结构成本.(3)通过两种柱距交错桁架方案对比,交错桁架体系在设计某种特定功能建筑(办公、公寓)时,应该存在一个经济柱距,使结构在满足设计规范要求的同时可以获得最优的结构成本.(4)钢管混凝土柱可以作为交错桁架柱子的主要形式之一,尤其是在高层交错桁架建筑,其经济性明显优于传统的工字形截面钢柱.(5)如果采用矩形钢管混凝土柱,而桁架也采用矩形钢管混凝土桁架,则构成的矩形钢管混凝土交错桁架又是一种值得研究和推广的新型结构体系.312西安建筑科技大学学报(自然科学版)第38卷参考文献 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prog ram SA P2000,the behavio r of aseismic and r esist ance t o wind o f steel frame -shear w all st ruct ur e w it h stag ger ed truss -shear w all st ructur e are ado pted in ana lyzing the steel mater ial quantity o f each structure scheme under satisfying design co de.T he co ntrastie desig n r esults sho w that the steel consum p -t ion of stag ger ed tr uss -shear wa ll str ucture is lo wer than that o f the steel frame -shear wall structure,and the long itudinal frame structure for m may affect t he steel consumptio n to t he stagg ered truss.T he desig ner is advised to ado pt shear w all or br acing system to str eng then long itudinal frame stiffness.Key words:s tag ger ed tr uss ;s teel str uctur e hous e;steel str uctur e des ign;economical estimation313第6期 卢林枫等:交错桁架结构的设计*Biography:LU Lin -feng,Ph.D.,Xi p an 710064,P.R.China,Tel:0086-29-82337399,E -m ail:54LLF@。