不同交错桁架钢结构抗震性能研究

李国利++徐洪英

摘要： 交错桁架钢结构作为一种经济、高效的钢结构体系，突显其结构内无柱特性，使结构内部获得两倍柱距的大开间，建筑内可据需灵活布置，被人们在酒店、医院等建筑所推崇。文章利用有限元分析软件SAP2000建立华伦式、帕式、混合式三种形式的交错桁架钢结构体系模型，对其分别运用反应谱和时程方法并结合用钢量作对比分析，从安全、经济合理综合考虑，得出在实际工程中宜采用交错桁架钢结构体系。

Abstract： As a kind of economical and efficient steel structure system， the staggered truss steel structure emphasizes the column-free characteristics of the structure and enables the structure to have a large bay with double column spacing. It can be arranged flexibly according to needs in building， so it is favored in the construction of hospitals and hotels. In this paper， the finite element analysis software SAP2000 was used to establish the three types of staggered-truss steel structure system models， which are the Vallon， Palmer and hybrid. The response spectrum and time-history method combined with the steel amount are used for comparative analysis， and considering the economical benefit and safety， it is concluded that staggered truss steel structure system should be adopted in practical projects.

关键词： 交错桁架钢结构；有限单元法；抗震性能；反应谱分析；时程分析

Key words： staggered-truss structure；finite element method；seismic performance；response spectrum analysis；time history analysis

中图分类号：TU393 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）02-0121-03

0 引言

交错桁架钢结构体系既可做到使建筑结构获得更大开间、进深，又可结合钢结构的自身材料特性，形成经济、实用、高效的新型结构体系。其在抵抗水平荷载作用时像一个悬臂梁[4]，柱子沿纵向布置在建筑两边，其作用相当于工字型悬臂梁的翼缘板，而跨度与建筑横向宽度相等的柱间桁架如同悬臂梁的腹板。交错桁架钢结构体系一般有华伦式、帕式、混合式三种形式，本文对其抗震性能采用有限元分析软件SAP2000作对比分析，对实际工程中运用交错桁架钢结构体系起到指导作用。

1 模型建立

利用SAP2000有限元软件特性建立华伦式、帕式、混合式三种交錯桁架钢结构体系的三维空间交错钢桁架结构模型。其结构相关参数为层高3m，共15层，横向柱距为21m，总跨度为21m，纵向柱距为6m，总跨度为36m。结构中腹杆、弦杆、连梁、框架柱都选用了钢材型号为Q345的H型钢，构件尺寸详见如表1。

三种模型的桁架布置方案具体如图1。

设所建结构处于抗震设防烈度为8度，Ⅱ类建筑场地，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.20g，阻尼比为0.04，Tg=0.04s。其主要荷载有：框架梁上的墙体线荷载6.0kN/m2；屋面活荷载0.5kN/m2，屋面恒荷载5.5kN/m2；楼面活荷载3.5kN/m2，楼面恒荷载5.0kN/m2。构件间连接为：腹杆与弦杆铰接；弦杆与框架柱刚接；纵向的框架梁与框架柱刚接；框架柱与地面刚接。

2 对比分析

2.1 反应谱分析

在SAP2000中运用反应谱法对各模型的纵、横向位移值、层间位移角作对比分析，相关数值对比如表2。

通过三种结构的位移图和层间位移角对比可看出，帕式和混合式交错桁架的最大层间位移角都远小于规范的规定限值1/250，并且帕式和混合式结构的横向比纵向的楼层位移及层间位移角降低的更为显著，帕式比混合式降低效果稍微好一些，这说明在桁架中加入斜弦杆对结构的横向刚度产生了明显影响。

2.2 时程分析

在运用时程法对三种交错桁架钢结构对比分析时，根据地震波的选取方法，在SAP2000中输入了较有代表性的三种地震波：兰州波、唐山波和EL-Centr波。对三种结构布置分别进行8度多遇与8度罕遇地震反应分析，从顶层位移反应、顶层加速度反应、结构的楼层位移及层间位移角和结构的基底剪力四方面作对比分析。

2.2.1 顶层位移反应

三种方案的最大顶层位移数值见表3，相同布置方案在不同地震波或同一地震波多遇、罕遇作用下都表现出不同的地震响应。在相同地震波的作用下，华伦式交错桁架的顶层位移明显大于帕式和混合式交错桁架，帕式比混合式顶层位移有所减少，但效果不是十分明显。

2.2.2 层间位移及层间位移角

为较直观的表现各结构层间位移角变化，将相关数据绘出地震作用下层间位移角变化曲线图2。endprint

从图2可看出，三种结构布置在El-Centro波、唐山波及兰州波多遇、罕遇地震作用下，都能满足规范规定的层间位移角限值（[？兹e]<1/50）。且对华伦式交错桁架改进后，所构成的帕式、混合式交错桁架，其层间位移角发生明显减小，而帕式与混合式的层间位移角相差无几。

2.2.3 顶层加速度反应

对三种不同结构布置形式在8度多遇与8度罕遇El-Centro波、唐山波及兰州波地震作用下，进行顶层加速度反应对比分析，各情况下的顶层最大加速度见表4。

从表4顶层最大加速度可看出，不同地震波作用下，同一结构方案的顶层加速度峰值均不相同，相同地震波作用下，帕式和混合式相对于华伦式顶层最大加速度均明显增大，且帕式增大幅度更突出。以上说明在帕式和混合式中加入了斜弦杆后，使结构刚度增大，结构对地震力的反作用力也同时增大。

2.2.4 结构基底剪力

在不同地震波、不同地震强度作用下，各结构的基底剪力有不同表现，其各自的最大基底剪力见表5。

通过表5可明显看出，在同一地震波、地震强度作用下，帕式和混合式相对于华伦式基地剪力均明显增大，且帕式与混合式对比增幅更为突出。通过数据分析可再一次得出，结构中添加斜弦杆后，其结构整体刚度明显增大。可进一步得出，结构抗震性能的增强，同时也会给结构带来较大的基底剪力，进而对结构基础设计提出较高要求，即增加基础的相关造价。

2.3 经济指标分析

利用SAP2000中材料统计功能，将三种方案的用钢量分别统计，见表6。

从表6对比可得出，帕式比华伦式用钢量多29.20%，混合式比华伦式多18.40%。易得到，对抗震性能的提高基本相同的情况下，混合式比帕式用钢材明显节省，即更为经济适用。

3 结论

本文利用有限元软件SAP2000建立三个不同形式交错桁架布置钢结构模型。分別对三种不同结构进行反应谱分析和时程分析，主要从顶层位移、层间位移及层间位移角、顶层加速度、基地剪力等方面进行了对比分析，进而得出三种结构体系抗震性能的特点。其后对三种结构的用钢量进行统计，综合对比看出，在多遇及罕遇地震作用下，在桁架中增加斜弦杆形成的帕式和混合式交错桁架对结构的抗震性能都起到了良好的效果。结合工程造价，混合式比帕式更加经济合理，较好的提高结构抗震性能，又不会过于增大工程成本。所以实际工程中，在场地条件等其他外在条件允许的情况下，应是优先选用混合式交错桁架。

参考文献：

[1]莫涛，周绪红.交错析架结构体系的受力性能分析[J].建筑结构学报，2000，21（26）.

[2]许红胜，周绪红，刘永健.交错桁架结构体系设计要点[J].建筑结构，2004，05.

[3]周绪红，莫涛，蔡益燕，等.新型交错桁架结构体系的应用[J].钢结构，2000，02.

[4]鲁建霞，苟慧芳.有限元法的基本思想与发展过程[J].机械管理开发，2009，24（2）.

[5]伯明，壬挺.高层建筑结构时程分析的地震波输人[J].沈阳建筑大学学报，2010，26（6）.endprint