錯(cuò)列桁架鋼結(jié)構(gòu)體系研究現(xiàn)狀分析

趙亮

【摘 要】隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高， 人們對(duì)居室環(huán)境的要求越來越高， 具有優(yōu)良性能的錯(cuò)列桁架鋼結(jié)構(gòu)房屋越來越引起人們的重視。特別在一些大城市， 由于國(guó)外技術(shù)的引進(jìn)和開發(fā)商的參與， 錯(cuò)列桁架鋼結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)房屋的建設(shè)成為一個(gè)新熱點(diǎn)，大跨度、標(biāo)志性的建筑很多都采用了此結(jié)構(gòu)。本文分析了錯(cuò)列桁架鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀，提出了建議。

【關(guān)鍵詞】錯(cuò)列桁架鋼結(jié)構(gòu)；研究；建議

1.國(guó)外研究現(xiàn)狀

20 世紀(jì)60年代中期，錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系首先由麻省理工學(xué)院在美國(guó)鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的資助下進(jìn)行了最早的研究，包括對(duì)其建筑平立面布置及建筑構(gòu)造處理等建筑問題的研究[1]。

其后，J.B.Scahlzi提出了雙平面支撐框架力學(xué)模型。他提出由于樓板的剛性隔板作用，使位于兩個(gè)相鄰豎向平面內(nèi)交錯(cuò)桁架的性能就像位于一個(gè)豎向平面一樣。于是他將兩相鄰豎向平面結(jié)構(gòu)加在一起進(jìn)行力學(xué)分析，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)的計(jì)算[2]。

1972 年，R.P.Gupta 等人對(duì)交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)在地震作用下的彈性和彈塑性動(dòng)力反應(yīng)進(jìn)行了研究。他們從分析交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)的靜力特性入手，將桁架進(jìn)行等效簡(jiǎn)化。并假定塑性鉸只出現(xiàn)在桁架的空腹節(jié)間弦桿上，其余桿件均處于彈性狀態(tài)，弦桿采用雙線性恢復(fù)力模型。P.Gupta等人采用1940年1.5倍E1Centro南北波，對(duì)某20層交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算。1974年，R.D.Hanson等人提出了相應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)方法。研究表明，交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系具有良好的耗能能力和延性[3]。

交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系最初于1967年用于美國(guó)明尼蘇達(dá)圣保羅的老年公寓，自那時(shí)以后建造了很多平面窄長(zhǎng)的 15～20 層的公寓、旅館和住宅，有時(shí)辦公樓也采用這種方案。加拿大卡爾加里的虹谷旅館也采用了交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系，該工程為交錯(cuò)桁架體系在加拿大的首次應(yīng)用。1986年，美國(guó)新澤西州大西洋城建造了43層的國(guó)際旅游飯店，開創(chuàng)了交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系應(yīng)用于100米以上建筑的先例。該工程總高度為128米，房屋寬度為21.35米。該項(xiàng)目采用鋼框筒結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、混凝土框架——剪力墻結(jié)構(gòu)與錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)四種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，造價(jià)比為1.4：1.1：1.25：1，最終采用了錯(cuò)列桁架體系。1998 年3月在美國(guó)拉斯維加斯建成的38層有2600個(gè)房間的阿拉汀旅館，在方案設(shè)計(jì)階段與拉斯維加斯通常采用的現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，在方案評(píng)議（包括防火和裝修）時(shí)，表明錯(cuò)列桁架能節(jié)約費(fèi)用和縮短工期，最后以最經(jīng)濟(jì)方案被業(yè)主選中。錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系主要適用于中、高層住宅、旅館、辦公樓等平面為矩形或由矩形組成的鋼結(jié)構(gòu)房屋。

2.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系在國(guó)外已經(jīng)有四十多年的發(fā)展歷史，有較多的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和研究成果。與國(guó)外這方面的研究蓬勃開展相比，國(guó)內(nèi)的研究才剛剛起步。

湖南大學(xué)周緒紅、莫濤等利用有限元方法，分析了錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系的靜、動(dòng)力特征以及不同桁架布置形式對(duì)整體結(jié)構(gòu)受力性能的影響，表明該體系是一種高層鋼結(jié)構(gòu)建筑的理想結(jié)構(gòu)體系[4]。

隨后周緒紅、莫濤等又將錯(cuò)列桁架體系與鋼框架進(jìn)行對(duì)比分析，得出了錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系無論在建筑上還是結(jié)構(gòu)上都明顯優(yōu)于對(duì)比框架的結(jié)論，表明錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系是一種靈活、大空間和受力性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)體系[5]。

湖南大學(xué)潘英、周緒紅等對(duì)錯(cuò)列桁架體系的抗震性能進(jìn)行了分析，建立了單向水平地震作用下錯(cuò)列桁架體系協(xié)同分析的力學(xué)模型。在動(dòng)力時(shí)程分析的過程中考慮了構(gòu)件的剪切變形，并在單元水平上考慮了幾何非線性。通過錯(cuò)列桁架體系設(shè)計(jì)實(shí)例的彈性和彈塑性時(shí)程分析，表明了錯(cuò)列桁架體系層剛度均勻，耗能潛力大，保證了結(jié)構(gòu)在強(qiáng)烈地震作用下承受豎向重力荷載的能力，并提供了多道抗震防線，具有很好的抗震性能[6]。

東南大學(xué)的康信江、王恒華對(duì)錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系的靜力性能和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了初步的研究，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)具有良好的彈塑性性能，并提出了錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)體系在水平荷載作用下的側(cè)移計(jì)算方法，提出了結(jié)構(gòu)體系柱子計(jì)算長(zhǎng)度的計(jì)算方法以及結(jié)構(gòu)體系的剪力連接設(shè)計(jì)方法[7]。

3.建議

由于我國(guó)在錯(cuò)列桁架鋼結(jié)構(gòu)研究方面起步較晚，研究力量相對(duì)分散、研究成果也相對(duì)獨(dú)立，故難以相互對(duì)照、支持，與實(shí)際應(yīng)用有較大距離，因此，在開發(fā)和應(yīng)用中還有許多研究工作要做。

目前國(guó)內(nèi)的研究成果，僅限于特定條件下的力學(xué)性能，且很多未考慮設(shè)置剪力墻以及扭轉(zhuǎn)效應(yīng)的影響；在錯(cuò)列桁架結(jié)構(gòu)有限元分析方面，很多局限在單一的梁、板、柱的研究，并未考慮整體結(jié)構(gòu)在靜力和動(dòng)力下的反應(yīng)。

應(yīng)對(duì)住宅的維護(hù)、防火及防腐技術(shù)展開深入研究，提出一整套與錯(cuò)列桁架鋼結(jié)構(gòu)住宅配套的維護(hù)、保溫體系和防火防腐方案，使其不僅是一種受力性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)形式，也具有良好的舒適適用性。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

[1]Robert J.Hansen. New steel framing system promises major savings in high-rise apartments. Architecture Record，June，1966：191-196.

[2]Harold P.Bakke，Lawrence A.Kloiber and Albert C.Nuhn，Staggered Truss Building Systems[J].Civil Engineering，ASCE，1969，11.

[3]Raj P.Gupta and Subhash C.Goel， Dynamic Analysis of the staggered Truss Framing System[J].Journal of Structure Division，1972，7.

[4]莫濤，周緒紅，劉永健，蔡益燕.交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系的受力性能分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2000，21（6）：49～54.

[5]周緒紅，莫濤，劉永健.輕鋼交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系與鋼框架的對(duì)比分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2001，16（2）：5～7.

[6]潘英，周緒紅.交錯(cuò)桁架體系的抗震性能動(dòng)力分析[J].土木工程學(xué)報(bào)，2002（8）.

[7]康信江.交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)體系靜力性能及設(shè)計(jì)方法的研究[D].2004，3.

[8]范亞坤.錯(cuò)列桁架鋼木混合結(jié)構(gòu)多層住宅結(jié)構(gòu)性能研究.南京林業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009，06.