钢框—桁架组合结构的静力分析

张磊 黄勇 金晓

0 引言

轻型钢框架结构体系是采用型钢做框架梁、框架柱、次梁等构件,在一定跨度范围内,该结构形式较之传统的混凝土结构有明显的综合优势;同时随之结构的自重明显减轻,尤其是对于软土地基条件下的结构,基础造价会明显减少。由于轻钢结构的结构形式简单,其造价主要取决于用钢量的大小。当跨度较大的时候,钢框架结构中的框架梁的截面会较大,钢框—桁架组合结构是基于对钢框架的研究与分析,将钢框架中的次梁简化为空腹桁架而得到的一种新的轻型钢结构形式。由于用钢量大小直接与设计方案相关,本文通过对一个37.5 m×12 m的建筑分别采用钢框架结构与钢框—桁架组合结构两种方案设计分析,初步阐述钢框—桁架组合结构的特点。

1 算例分析

1.1 钢框架计算模型

会议室为37.5 m×12 m矩形平面,采用12 m×7.5 m的柱网。框架梁采用500mm×200mm×11mm×17mm的H型钢,次梁采用500mm×200mm×10mm×16mm的H型钢,框架柱采用400mm×400mm×13mm×21mm的H型钢,板采用120mm的钢筋混凝土板。

荷载计算:

恒载:4.67 kN/m2;活载:上人屋面:2.0 kN/m2;暂考虑1.2恒载+1.4活载=1.2×4.67+1.4×2.0=8.40 kN/m2。

应用通用有限元软件ANSYS中建立模型,采用弹性算法,分别采用Beam188单元模拟梁和柱,Shell63单元模拟混凝土板,钢材的本构关系均采用各向同性的理想弹塑性模型。

1.2 钢框—桁架计算模型

采用同样的柱网,把横向次梁换成桁架,桁架采用150mm×150mm×5mm方钢管,框架梁采用 500mm×200mm×11mm×17mm的H型钢,框架柱采用400mm×400mm×13mm×21mm的H型钢,板用70mm的混凝土板。三维示意模型如图1所示,因该结构形式采用的混凝土板较薄,恒载减少了0.05 m×25 kN/m3=1.25 kN/m2,恒载为4.67-1.25=3.42 kN/m2,活载取 2.0 kN/m2。

考虑荷载组合:1.2恒载+1.4活载=1.2×3.42+1.4×2.0=6.90 kN/m2。

采用Beam188单元模拟框架梁、框架柱以及空腹桁架,用Shell63单元模拟板,分析得到结构的竖向位移。

2 构造处理

2.1 节点构造

整体结构是通过节点将各个独立的构件连接成一个有机整体的。因此,结构能否按设计预期的要求来承受外部荷载,节点的受力性能至关重要。本算例需要考虑的是桁架与框架梁的节点处理,以及钢框架柱与钢筋混凝土基础的节点处理。

桁架与框架梁的节点设计为铰接,采用上弦支撑的形式。上弦支撑使得荷载通过桁架传给框架上翼缘,要适当增加节点处的尺寸,以满足强度需求。另外对节点处的框架梁进行局部加肋,以防止框架梁的局部压屈(如图2所示)。

框架梁与框架柱的节点处理参考钢框架的设计,在此不再赘述。

2.2 支撑

为增强结构整体的抗侧刚度,设置侧向支撑,与框架共同抵抗水平力。横向有12根框架柱抵抗横向水平力作用,考虑在两端增设横向支撑;框架柱在抵抗纵向水平力时,沿弱轴受弯,对纵向刚度的贡献不大,因此考虑增设纵向支撑。

在水平荷载作用下,支撑对提高结构整体刚度有很大贡献,有利于结构的整体稳定性。因此支撑作为抗侧力的一道防线显得尤其重要。支撑结构中应用最为普遍的是交叉支撑和人字形支撑。在轻钢结构中加上支撑结构,分析其对整体结构的抗侧力贡献,对节点进行相应的构造处理。

3 对比分析

由位移云图对比可知,钢框架的最大竖向位移为27.269mm,而钢框—桁架的最大竖向位移为26.719mm,比钢框架的最大竖向位移少近0.55mm,相差不大。将这两种结构形式的板厚、型钢用量、单方板的钢筋量、单方总用钢量以及屋盖自重进行比较,见表1。

表1 两种结构形式比较表

由表1的数据可知:1)钢框—桁架组合结构中板的跨度比钢框架要小,因此板厚取值较钢框架的板厚大为减小;2)板厚的减小,直接导致结构荷载下降26.3%,尤其是在软土地基条件下,结构自重的减轻对基础造价的影响是很大的,该结构形式具有较强的竞争力;3)这两种结构经比较,钢框—桁架结构的单方用钢量较钢框架结构下降近16%,在经济性上也有很大优势;4)桁架本身是一种格构式受弯构件,由于其平面内的刚度较大,较H型钢梁具有一定优势;同时该结构形式本身可体现建筑的结构美感,不用做太多装修,即使装修,桁架的下弦杆也可充当龙骨,在一定程度上节约层高。

4 结语

本文主要是提出采用钢桁架替代传统的钢框架的横向型钢梁。为了体现钢框—桁架组合结构的特点并观察横向型钢梁由空腹桁架替代后的效果,本文对钢框—桁架组合结构进行静力分析时,应用有限元软件ANSYS对一个等跨等柱距的算例,分别采用钢框架和钢框—桁架两种结构形式进行建模分析。通过比较,钢框—桁架组合结构具有较明显的优势。此外,本文提出了钢框—桁架组合结构的构造措施以及相关节点的处理。但要应用于工程实践还需要对其动力特性进行深入讨论,尤其是在地震区,要进行抗震性能的验算;在用ANSYS分析钢框—桁架时板与桁架是协同工作的,在施工过程中要保证板与桁架上弦的可靠连接,保证板与桁架的共同工作;另外对于框架与空腹桁架的节点要进行处理,以保证二者的刚性连接。

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