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交错桁架结构设计理论方法与装配式集成技术应用研究



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研究背景


钢结构装配式交错桁架结构技术是在建筑横向墙体轴线处设置隔层的平面桁架,为了实现结构传力的合理性,在相邻轴线处对平面桁架进行错轴布置,楼面板在平面桁架之间,一端搁置在下层桁架的上弦处,一端搁置在上层桁架的下弦处(图1)。钢结构装配式交错桁架结构技术的平面桁架高度为建筑层高,跨度为两个开间进深加走廊宽度,通过对平面桁架的错轴布置及与楼面板形成整体后,实现楼板与平面桁架共同承受结构的竖向荷载和水平荷载。钢结构装配式交错桁架结构技术充分利用了钢结构拉压承载力高的特点,通过桁架简便的连接方式,大部分杆件为拉压受力模式,小部分杆件为拉弯或压弯受力模式,并且充分结合带中间走廊类建筑的特点,合理利用建筑布局。



平面桁架基本上选用如图2所示的混合桁架形式或空腹桁架形式。空腹桁架便于建筑布置门洞或走廊,但是由于空腹桁架无斜腹杆,整体的竖向刚度较小,在结构计算时需要特别分析空腹桁架的挠度对建筑的影响及楼面的整体舒适性;采用混合桁架时,平面桁架的整体刚度和承载力大大提升,但同时也影响建筑布局的灵活性,故在结构桁架形式的选择与策划上需要与建筑平面功能进行一体化的集成设计,在不影响建筑平面使用功能的情况下尽量选用混合桁架形式,同时混合桁架的侧向刚度不宜太强,否则会形成结构计算时两个方向刚度不匹配问题,可以通过减少混合桁架斜腹杆数量的方式解决侧向刚度太大的问题。在桁架的设计时尽量实现杆件标准化,通过标准化杆件拼接成结构所需要的桁架形式,从而提高制作效率与精度。



装配式交错桁架结构体系,在结构性能方面具有传力简洁、抗震性能优越、免防火涂料抗火构造、中间无柱的单跨结构、用钢量节约20%、基础造价减少30%、经济性能好等优势;在建筑舒适性方面具有建筑净面积增加3%~5%、室内无梁,净高提高200~300 mm、结构刚度提高一倍以上、一体化装饰隔音桁架墙等创新技术。交错桁架结构体系可提供较大的无柱空间,便于灵活布置房间,适用于公寓、旅馆、宿舍、医院等装配式建筑。


研究内容


1 交错桁架结构成套集成技术与工程应用

1.1 项目概况


杭州萧山机场5号、6号公寓宿舍楼工程(图3)位于杭州市萧山机场地块,总建筑面积约3.4万m2,地下面积0.6万m2,地上面积2.8万m2,5号楼1.2万m2,6号楼1.6万m2;建筑层数:5号楼7层,6号楼10层,标准层高3.1 m;结构形式:钢结构交错桁架体系(PS)+预制混凝土(PC)体系;该项目设计地震分组为一组,设防烈度为6度(0.05g),抗震设防为丙类,场地类别为III类。建筑安全等级二级,设计使用年限50年。



1.2 交错桁架成套集成技术工程应用

萧山机场5、6号公寓宿舍楼项目是为打造装配式建筑科技创新型的一个示范性工程。项目立项之初就确定采用钢结构装配式集成建筑技术和BIM信息化技术来实施项目全生命周期绿色建造。工程实施中应用了装配式钢结构交错桁架结构技术、SPD预应力叠合楼板技术、保温装饰一体化外墙技术、集成卫浴技术、装配式钢结构楼梯技术等先进装配式技术。该工程在装配式集成建筑的技术、建造管理、信息化技术应用等方面具有行业的领先性。根据GB/T 51129—2017《装配式建筑评价标准》计算,装配率为82%,达到AA级装配式建筑评价要求,对推进钢结构装配式集成建筑在行业内推广与应用具有较好的示范意义。


1)主体结构系统。

项目桁架跨度同横向柱距,为16.8 m,高度同层高,跨高比约为5.4。通过对本工程建筑平面使用功能进行分析,该项目竖向垂直交通不利于交错桁架的布置。考虑到与建筑功能协调问题,在结构体系选型时,混合应用交错桁架结构体系和钢框架结构体系,以适应楼、电梯间的合理化布置。在楼、电梯间的框架部分形成整体,并加强框架部分与平面桁架的连接,提高框架部分与交错桁架部分的协调变形,见图4和图5。



由于交错桁架结构与框架结构的空间变形特性不同,需要楼板具有较好的面内刚度,使两部分结构能协同工作。设计时使楼板具有足够的现浇层厚度及适当的板内配筋,以保证交错桁架结构与框架结构直接进行楼板剪力的传递。


2)楼面系统。

本工程楼板系统采用全预制的装配式SPD预应力叠合楼板技术,该技术是从美国引进的一个成熟装配式建筑技术,其施工无模板、无脚手架,安装快捷方便,同时也是浙江省第一个应用该成套技术的项目。在SP板即预制预应力混凝土空心板上浇筑60 mm以上的混凝土形成叠合层,布局如图6~图8所示。




3)外墙系统。

在外墙系统中成功引进了幕墙技术的优势,同时结合项目本身的特点,采用了保温装饰一体化的单元式预制混凝土PC“外挂内嵌”集成外墙系统(图9),解决了装配式外墙保温、装饰、防水的问题。



PC挂板水平缝设计成企口缝,形成构造防水,垂直缝采取有导水槽形成的一个导水空间,并在水平缝和垂直缝之间采用耐候性密封胶进行材料防水,形成构造防水和材料防水的双重保障。


4)内墙系统。

为了实现结构体系的优越性,内隔墙需要着重考虑交错桁架处的隔墙方案。桁架两侧采用了75 mm厚的ALC条板,无桁架处采用了150 mm厚的ALC条板(图10)。ALC板材材料即蒸压加气混凝土板,其质轻高强、耐火性优良、抗渗性优良,现场可加工性良好,精度高,可刨、可锯,采用干式作业法,安装简便,工艺简单,大大缩短了施工工期,提高了效率及施工质量。



5)集成卫浴系统。

综合考虑本工程的需求、施工进度及品质的要求,在工程的实施中卫浴系统采用了集成卫浴产品(图11)与技术。集成卫浴采用SMC高分子航空材料,生产更节能,比传统卫浴生产能耗下降47%;采用工厂模块化生产,减少了传统粗放式建设中材料的浪费;现场干法施工,搭建过程无污染、无噪声、无粉尘,无异味,即装即住。



2 钢结构装配式交错桁架结构关键技术研究

2.1 钢结构装配式交错桁架结构整体计算原理与分析

1)在竖向荷载作用下的受力性能特点。

在竖向荷载作用下,竖向荷载通过楼板搁置在弦杆上形成均布荷载,从而在桁架的上下弦中产生次弯矩,桁架弦杆承受轴力及弯矩,但是弦杆的控制荷载基本上为轴力控制,斜腹杆主要承受轴力。由于平面桁架与边柱为铰接连接,通过端部斜腹杆与弦杆的共同受力,传递到边柱基本为竖向荷载,因此在竖向荷载作用下边柱基本不会出现弯矩及剪力。钢结构装配式交错桁架结构体系在承受竖向荷载作用时,侧移很小,因此在计算竖向荷载时可不考虑结构的整体空间作用。


2)在水平荷载作用下的受力性能特点。

交错桁架结构技术从平面上看,桁架层相对敞开层水平刚度较大,交错的两榀桁架之间通过楼板将桁架的上下弦杆相互连接,在水平荷载作用下任何一层楼面上所有的点将有相等的水平位移,即敞开层的柱子与桁架层的腹杆(包括斜腹杆、竖腹杆)一起共同抵抗侧向变形。交错桁架钢框架结构的侧向变形主要来源于桁架弦杆的剪切变形与杆件的轴向变形的贡献,整体结构的变形曲线仍以剪切变形特征为主。


在地震或风荷载产生的水平力作用下,楼层层间剪力通过楼板传递给平面桁架上弦杆,并形成弦杆轴力,上弦杆轴力传递给斜腹杆,斜腹杆轴力再传递到平面桁架下弦杆,下弦杆轴力通过楼板连接传递给下层楼板,最后传给基础,每个桁架承受作用于两个柱间的剪力,楼板犹如一刚性隔板传递剪力,其传力的机理如图12所示。图中:H为水平荷载,V为水平荷载H作用下弦杆上的剪力,R为水平荷载作用下的柱子反力。故楼板与桁架弦杆的连接构造需要经过精细化计算,保障楼板层间剪力的有效传递。由于平面桁架与钢柱采用铰接连接方式,在层间剪力传递过程中,钢柱主要产生轴力,其弯矩较小。



由于钢结构装配式交错桁架结构空间受力协同的特点,其在地震或风荷载产生的水平力作用下,楼板、平面桁架、钢柱形成了空间受力模式,楼板参与到结构整体计算中,故在结构承受水平荷载时,应充分考虑楼板协同工作的特点进行整体分析与计算,无法采用传统的框架体系理论来考虑楼板与主体结构的变形协调。钢结构装配式交错桁架结构在楼板的设计过程中,尤其要考虑楼板与平面桁架弦杆连接的抗震构造措施及计算复核。


2.2 交错桁架结构的平面桁架分析

交错桁架结构在分析竖向荷载作用时,不宜计入组合梁效应,在分析横向水平荷载时,宜计入组合梁效应。在结构整体计算分析中,如何考虑装配式楼面板与平面桁架的组合作用,是计算平面桁架弦杆内力的关键因素。


在通用结构计算软件中实现这一条文需要建立两个空间模型用于确定弦杆的截面大小,即建立一个不带楼板的模型计算交错桁架结构在竖向荷载下的内力;建立一个带楼板的模型计算交错桁架在横向水平荷载下的内力,最后,提取两个模型的内力,进行荷载组合再设计桁架弦杆截面。这种设计方法虽然可以实现对交错桁架各构件的设计,然而,这种方法需要手工提取各工况的内力,并对各工况的内力进行荷载组合,过程相当繁琐。


经过深入探讨研究,在结构计算软件中,采用以水平交叉支撑代替楼板的设计方法来模拟桁架弦杆在水平力作用下的组合受力性能,在结构设计软件中只需要建立一个模型(图13),该模型计算时,在竖向荷载下不考虑桁架弦杆与楼板的组合梁作用;在横向水平荷载下,可以模拟楼板对结构整体分析的作用。



平面桁架作为钢结构装配式交错桁架的主要构件,其用钢量在体系总用钢量中占有很大的比例,钢结构装配式交错桁架的平面桁架跨度为两个房间进深加走廊宽度,除直接承受竖向荷载外,还承受由于地震作用和风荷载作用产生的水平力。一般斜腹杆的倾角保持在45°~60°为宜,平面桁架的最经济跨度在16~21 m,平面桁架的高度为层高。钢结构装配式交错桁架结构体系的楼板选用SPD预应力叠合楼板为宜,在桁架计算分析时应考虑楼板施工阶段对桁架的不利影响。


楼板采用装配式SPD预应力叠合楼板技术,施工时楼板自重会使弦杆处于受扭状态。为进一步分析施工过程中装配式SPD预应力叠合楼板技术对主体结构的影响,采用ABAQUS程序对结构典型位置进行了分析。由分析结果(图14)可知,在楼面施工顺序满足设置要求的情况下,主体结构的应力及变形等主要指标均在施工允许的安全范围内。



2.3 交错桁架楼板与桁架弦杆的节点设计与试验研究分析

SPD板承载力高、适应跨度大、工厂生产标准化程度高,施工安装便捷,将钢结构装配式交错桁架与SPD预应力空心叠合楼板结合,完美解决了交错桁架结构体系与楼面系统的匹配性问题。SPD板与梁的连接处作为设计重点,由构造来解决楼板传递剪力的问题,通过SPD板与平面桁架上下弦杆的降板处理(图15),既解决了楼板与弦杆的抗剪构造问题,又解决了建筑净高问题。



为验证此降板节点的可靠性,从试验验证、设计分析、构造处理、施工工艺等层面对SPD板梁板节点的整体受力性能进行系统分析。试验阶段主要分析不等宽翼缘钢梁与预应力空心叠合楼板节点的纵向黏结性能和抗剪承载力性能。试验构件由中间的加载不等宽翼缘钢梁与两侧的预应力空心叠合板组成,预应力空心叠合板厚120 mm,现浇叠合层厚60 mm,预应力空心板与叠合层的混凝土强度等级为C30。在预应力空心楼板芯孔内设置抗剪钢筋,试件见图16。试验共加工制作3个标准试件(S-SP-18、S-SP-22、S-SP-25),抗剪钢筋直径分别为18,22,25 mm,分析不同钢筋直径下抗剪构造钢筋的受力性能。由图17可知:试件的受剪承载力随着抗剪钢筋直径的增加而逐渐增加,承载力分别为701.2,769.6,801.1 kN。



3个标准试件的平均延性系数为7.78,说明该节点构造措施具有良好的延性性能。不等宽翼缘钢梁与混凝土之间的黏结力约为1.57 MPa,黏结性能较好,试验数据表明,采用将楼板搁置在不等宽翼缘钢梁下翼缘上,并设置抗剪构造钢筋的构造做法,提高了楼板与弦杆的黏结强度。


2.4 交错桁架连接节点计算分析

装配式交错桁架结构中平面桁架弦杆、斜腹杆在工厂内通过节点板焊接完成,以形成整体的平面桁架。在施工现场,平面桁架与柱采用全螺栓铰接连接,并将制作好的桁架与柱拼接。


为分析平面桁架与钢柱连接节点的安全性,通过ABAQUS对该节点进行了有限元分析。节点材料均为钢材,弹性模量E=206 GPa,泊松比μ=0.3,钢材牌号为Q345,螺栓等级为10.9级,材料遵守von Mises屈服准则及相关的流动法则,采用理想弹塑性材料模型。节点模型采用三维实体单元C3D8R,柱上、下端固定。弦杆和斜腹杆根据ETABS分析得到的内力施加荷载,轴力转换为杆件截面的压强荷载,弦杆剪力转换为节点区域上翼缘压强荷载。


分别建立弹性模型和考虑材料及几何非线性的弹塑性模型进行计算和分析。具体分析结果如下:


1)弹性模型分析结果。

节点在承受设计荷载(k=1,k为构件内力设计荷载的倍数)时的计算结果如图18所示。



弹性分析结果表明,在设计荷载(k=1)时,节点在连接板局部存在应力集中,但只有极小区域超过屈服应力,大部分区域未屈服,说明节点各板件处于安全状态。


2)弹塑性模型分析结果。

节点在承受极限荷载(K=2.0,K为承载力系数)时的计算结果如图19所示。


分析结果表明,在K<1.6时,荷载与位移基本呈线性关系,K>1.6后,荷载与位移的非线性关系比较明显,此时位移增加较快;K=2.0时,节点达到极限状态,连接板大范围进入塑性,位移增长迅速加快,结构严重变形,节点整体承载能力达到极限,节点结构性能失效。


综上所述,节点在整个承载过程中,塑性区开展较缓慢,设计极限承载力系数K=2.0时,节点是可靠的。



3 钢结构装配式交错桁架结构整体计算分析

3.1 弹性反应谱分析

该项目抗震设防分类为丙类,设计地震分组为一组,设防烈度为6度(0.05g),场地类别为III类,净毛截面比为0.95;计算地震作用时阻尼比取值为0.04,计算风荷载效应时阻尼比取值为 0.02(风),周期折减系数为0.9。


由于楼板的约束作用,平面桁架弦杆的平面外稳定问题可不考虑,其他杆件的计算长度系数按照相关规范进行确定。


为更加准确地获得该钢结构装配式交错桁架项目的计算结果,采用ETBAS与盈建科两款软件分别计算。分析得到:盈建科计算结果前3阶周期分别为T1=1.25 s,T2=1.13 s,T3=0.86 s;ETBAS计算的前3阶周期分别为T1=1.31 s,T2=1.09 s,T3=0.88 s,前两阶振型均为平动,第3阶振型为扭转。多遇地震下楼层最大层间位移角为1/370(纵向)和1/454(横向),均满足结构层间位移角限值的规定。


在地震作用下SPD板的应力通过盈建科结构计算软件的楼板应力分析模块进行计算分析,由于钢结构装配式交错桁架的空间受力特点,楼板的剪应力最大位置为楼板与弦杆的连接处,如图20所示,故楼板与弦杆的连接成为交错桁架结构抗震设计中的一个核心技术。该项目通过将SP板搁置在不等宽翼缘钢梁下翼缘,然后在SP板芯孔内插入2根抗剪钢筋,抗剪钢筋穿过钢梁腹板,将钢梁左右两侧楼板连接为整体,加强梁板节点的抗震构造。



3.2 静力弹塑性分析

采用ETBAS对其中一栋10层结构模型进行静力推覆分析,侧向推覆力加载模式按照倒三角形分布原则进行加载。推覆过程的塑性铰分布情况如图21,推覆过程力-位移曲线见图22,几个关键点的特征值见表1。



可知:在推覆过程中,结构屈服时塑性铰首先出现在交错桁架部分,在后续的推覆过程中框架部分塑性铰持续增多,而交错桁架部分塑性铰的个数并未明显增多,但其弯曲变形持续加大;中后期推覆过程中框架是主要的侧向刚度提供者,在整个推覆过程中均满足抗震规范的要求。据此可知,交错桁架结构耗能机制良好,地震响应可控,可以实现“大震不倒”的抗震设计原则。


结 论


1)交错桁架结构体系能较好地适应建筑功能平面布置,其传力机制高效,且用钢量低于传统框架结构,经济性较好。


2)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。


3)通过ETBAS和盈建科两款有限元分析软件的对比分析,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。


4)具体项目在采用交错桁架技术时,充分考虑了装配式集成建筑各项技术的协同问题,通过集成技术手段解决了各项技术之间的接口问题,最终建筑功能得以完美实现,说明交错桁架具有较高的市场推广价值。


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