交错桁架钢结构体系应用技术研究与示范目录1概述 (1)1.1序言 (1)1.2交错桁架应用现状 (2)1.2.1起源 (2)1.2.2特点 (2)1.2.3典型应用案例 (3)1.2.4相关技术标准 (4)1.3国内外研究现状 (4)1.4本项目研究背景及研究内容 (6)2交错桁架结构体系分析 (7)2.1交错桁架简介 (7)2.1.1交错桁架的组成 (7)2.1.2建筑上的特点 (8)2.2交错桁架结构体系的受力性能特点 (10)2.2.1在竖向荷载作用下的受力性能特点 (10)2.2.2在水平荷载作用下的受力性能特点 (10)2.3构件与节点设计 (12)2.3.1柱的设计 (12)2.3.2桁架的设计 (12)2.3.3节点设计 (14)2.4新型简化计算模型的提出与分析 (16)2.4.1水平交叉支撑模型的提出 (16)2.4.2水平交叉支撑模型在水平荷载计算时的适用性 (18)2.4.3水平交叉支撑模型在竖向荷载计算时的适用性 (22)2.4.4结论 (26)2.5本章小结 (26)3关键应用技术研究 (27)3.1提高结构纵向刚度的新型方案 (27)3.2提高桁架弦杆局部抗弯承载力的方法 (30)3.3柱-桁架全螺栓节点 (33)3.3.1节点的提出 (33)3.3.2有限元分析 (35)3.3.3对现有规范中节点板公式的建议 (38)3.4减小端斜腹杆截面尺寸的方法 (39)3.5本章小结 (42)4重要参数分析 (43)4.1层数 (43)4.2柱距 (45)4.3跨度 (46)4.4层高 (48)4.5节间数 (49)4.6本章小结 (49)5示范工程 (51)5.1柯北宿舍楼项目简介 (51)5.2结构设计 (52)5.2.1结构布置 (52)5.2.2设计依据 (55)5.2.3设计基本条件 (56)5.2.4结构计算 (58)5.2.5主要计算结果 (60)5.3施工工况分析 (75)5.4施工技术措施 (78)6结论 (83)参考文献 (84)1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 LeMessurier[3]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。
Taranath[4]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.Scalzi[5]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.Gupta[6]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.Hanson[7]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。