預(yù)應(yīng)力桁架對整體抗側(cè)剛度影響分析

鄧寧 滿立鵬

【摘 要】文章通過對廣西梧州市桂東人民醫(yī)院實際工程的整體結(jié)構(gòu)受力分析，研究了預(yù)應(yīng)力混凝土桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)對整體結(jié)構(gòu)的影響，總結(jié)了預(yù)應(yīng)力混凝土桁架轉(zhuǎn)換層和整體結(jié)構(gòu)共同工作的準(zhǔn)則。

【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力桁架；桁架轉(zhuǎn)換層；抗側(cè)剛度

【中圖分類號】TU378 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）04-0036-04

1 桁架的受力特點(diǎn)

桁架是格構(gòu)化的梁結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的實腹梁相比，桁架的多根弦桿更好地分配了豎向荷載造成的彎矩，豎向荷載產(chǎn)生的軸力和剪力也通過桁架的斜腹桿和豎腹桿更好地傳遞給支座。通常情況下，桁架是由多根直桿兩兩鉸接而成，通過焊接、鉚接、螺栓連接的桁架都可近似地等效為理論上的鉸接桁架，理想的桁架桿件只有軸向拉力或壓力，桁架在只有軸力的作用下可以最大限度地發(fā)揮桁架的跨度和承載能力。

由于實際工程中桁架不存在完全理想的鉸接節(jié)點(diǎn)，各桿件除承受軸力作用外，還承受較小的剪力和彎矩。桿件的軸力為主內(nèi)力，剪力和彎矩為次內(nèi)力。桁架次內(nèi)力的計算分析，除了考慮次生內(nèi)力對桿件的截面面積和配筋計算外，還要考慮次生內(nèi)力對主內(nèi)力的影響，通過大量的實驗研究發(fā)現(xiàn)，次內(nèi)力最高可減小5.0%的桿件軸力。

2 桂東醫(yī)院整體結(jié)構(gòu)計算分析

2.1 工程概況

本文以廣西梧州市桂東人民醫(yī)院（簡稱桂東醫(yī)院）外科門診樓大樓擴(kuò)建工程為支撐依據(jù)。該擴(kuò)建工程是25層的框架剪力墻結(jié)構(gòu)，擴(kuò)建區(qū)域范圍內(nèi)原有3層安裝有多臺CT機(jī)、X光機(jī)等高級復(fù)雜設(shè)備發(fā)射室的建筑物不能拆除。在擴(kuò)建的25層框架剪力墻結(jié)構(gòu)的4層和5層設(shè)置預(yù)應(yīng)力混凝土桁架結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，桁架結(jié)構(gòu)下部架空，橫跨過3層放射室，可達(dá)到不拆除放射室的情況下，承托其上的新建建筑。

2.2 桁架轉(zhuǎn)換層的計算分析

桁架能承受較大的豎向荷載，還能給整體結(jié)構(gòu)提供很大的抗側(cè)剛度，導(dǎo)致桁架轉(zhuǎn)換層的側(cè)向剛度遠(yuǎn)大于相鄰樓層，引起整體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度變化不均勻及樓層抗剪承載力突變，產(chǎn)生薄弱層。地震作用下薄弱層的豎向構(gòu)件將發(fā)生脆性破壞，對整體結(jié)構(gòu)抵抗水平地震作用和抗震耗能產(chǎn)生較大的不利影響[1]。

為了判斷跨層桁架斜腹桿的支撐作用是否已經(jīng)造成整體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的不規(guī)則或者是樓層抗剪承載力的突變，首先使用PKPM軟件進(jìn)行建模，應(yīng)用SATWE程序進(jìn)行計算分析，然后查看整體結(jié)構(gòu)的樓層抗剪承載力及其比值，整體結(jié)構(gòu)可以根據(jù)層間抗剪承載力之比來調(diào)整抗側(cè)剛度的均勻分布，避免整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱層，導(dǎo)致抗側(cè)承載力突變[29]。桂東醫(yī)院整體模型如圖1所示。

為了限制樓層平面布置的規(guī)則性，《高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中對高層混凝土結(jié)構(gòu)建筑的抗剪承載力之比做出了明確的規(guī)定。若A級高度建筑的樓層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力小于上層的80%時，整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱層，需要采取相應(yīng)的構(gòu)造措施。通過SATWE的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，整體結(jié)構(gòu)3層的抗側(cè)承載力比4層、5層的抗側(cè)承載力小得多，比值已經(jīng)小于0.8，產(chǎn)生了規(guī)范中所說的薄弱層。這是因為4層、5層的桁架沿X方向布置，桁架斜腹桿的支撐作用大幅增加了4層、5層結(jié)構(gòu)X方向的水平抗側(cè)剛度，使得結(jié)構(gòu)X方向抗側(cè)承載力在4層、5層處突然增大，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的水平剛度在豎向分布不均勻及整體結(jié)構(gòu)的抗剪承載力突變。桂東醫(yī)院各層抗剪承載力比如圖2所示。

整體建筑結(jié)構(gòu)的豎向規(guī)則性要從多方面進(jìn)行考慮和分析，從力學(xué)角度分析，就要考慮整體建筑的傳力途徑和地震能量的耗散能力。整體結(jié)構(gòu)在地震作用下，地震作用會通過和地基緊密接觸的基礎(chǔ)將地震加速度傳給基礎(chǔ)上部的整體結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)在地震加速度的作用下將產(chǎn)生慣性力與內(nèi)力。作為由多個構(gòu)件“環(huán)環(huán)相扣”連接而成的結(jié)構(gòu)整體，其傳遞荷載和地震作用的路徑對于整體結(jié)構(gòu)的正常工作和達(dá)到預(yù)期的使用功能變得至關(guān)重要，如果“環(huán)環(huán)相扣”的其中一環(huán)出現(xiàn)脫節(jié)，將造成整體結(jié)構(gòu)從某一環(huán)上產(chǎn)生問題，并導(dǎo)致此環(huán)節(jié)之后的結(jié)構(gòu)部分產(chǎn)生問題，在實際工程中表現(xiàn)為抗側(cè)承載力突變和應(yīng)力集中，繼而導(dǎo)致承載力突變和應(yīng)力集中處結(jié)構(gòu)變形較大，極易發(fā)生脆性破壞。只有合理的結(jié)構(gòu)平面布置才能保證整體結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件在豎直方向上受力連續(xù)，保證豎向構(gòu)件的抗側(cè)剛度和強(qiáng)度可以隨著樓層高度從下往上逐漸減小，并且變化均勻[2]。

通過整體結(jié)構(gòu)的計算分析解決桁架腹桿特別是斜腹桿對結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度的影響，除上述增設(shè)剪力墻的措施解決外，還可在建筑的外立面增設(shè)跨越數(shù)層的斜撐與桁架轉(zhuǎn)換層形成空間桁架來避免側(cè)向剛度突變，解決側(cè)向剛度影響的最終目的是盡可能地避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱層，保證整體結(jié)構(gòu)在地震作用下的延性和耗能。除此之外，還需保證結(jié)構(gòu)在X軸、Y軸2個方向整體結(jié)構(gòu)的動力特性（周期和振型）相近。

2.3 解決側(cè)向剛度突變的措施

為了避免桁架相鄰樓層的抗剪承載力和抗側(cè)剛度過小的問題，可在-1～3層原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加抗側(cè)構(gòu)件，避免桁架造成整體X方向的抗剪承載力突變。通過對整體結(jié)構(gòu)的抗震分析發(fā)現(xiàn)，整體結(jié)構(gòu)在抵抗地震水平荷載作用時主要依靠的是剪力墻構(gòu)件，剪力墻給整體建筑提供了絕大部分的抗側(cè)剛度。結(jié)構(gòu)X、Y向的地震剪力分布如圖3、圖4所示。

強(qiáng)化轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件，弱化轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)的豎向構(gòu)件，使得轉(zhuǎn)換層上、下樓層側(cè)向剛度比值相近，變化均勻。在-1～3層增設(shè)的抗側(cè)構(gòu)件也應(yīng)從下往上側(cè)向剛度逐漸減小，盡可能地強(qiáng)化下部結(jié)構(gòu)的抗震性能和延性，避免下部剪力墻根部被破壞和加強(qiáng)下部框架梁和連梁的延性[3]；并且保證地震作用下塑性鉸應(yīng)先處出現(xiàn)在梁端，在滿足結(jié)構(gòu)作為幾何不變體的情況下，最大限度地產(chǎn)生應(yīng)變和位移，耗散地震作用的能量[3-5]。

2.4 預(yù)應(yīng)力桁架的設(shè)計準(zhǔn)則

通過對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計算分析，針對斜腹桿支撐效應(yīng)帶來側(cè)向剛度不規(guī)則的情況，總結(jié)了鋼筋混凝土跨層桁架與整體共同工作應(yīng)注意的要點(diǎn)。

2.4.1 避免側(cè)向剛度突變及動力特性相近

結(jié)構(gòu)動力特性是指結(jié)構(gòu)自振周期、振型、阻尼比3個主要方面。規(guī)范要求的動力特性主要是指結(jié)構(gòu)在地震作用和風(fēng)荷載作用下的周期和振型。為避免地震作用對建筑造成扭轉(zhuǎn)的脆性破壞，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011—2010）明確提出整體結(jié)構(gòu)需要在X軸和Y軸2個主軸方向的動力特性宜相近，主軸的相鄰振型周期比宜≥0.85[6]。要求整體結(jié)構(gòu)在2個主軸方向動力特性相近，目的是為了保證建筑結(jié)構(gòu)在受荷狀態(tài)下X和Y方向的位移、變形均勻，若X軸和Y軸2個方向的動力特性相差較大，建筑在強(qiáng)烈的地震作用下，往往會由于某一方向太弱而率先破壞，緊接著導(dǎo)致另一方向的破壞，從而引起整個建筑的連續(xù)倒塌，因此與短板理論相似，弱軸的動力特性決定結(jié)構(gòu)極限承載能力，只有2個方向的動力特性相近才能最大限度地發(fā)揮結(jié)構(gòu)的承載能力。要求2個主軸方向動力特性相近不是刻意要求2個方向結(jié)構(gòu)布置形式上的完全一致，而是要求整體結(jié)構(gòu)在抗震過程中X軸和Y軸的抗震性能和抗震耗能等多項動力特性相近。如果將2個方向的結(jié)構(gòu)平面進(jìn)行相同布置，很可能會導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)其他性能的不利影響。例如，當(dāng)2個相鄰振型周期過于接近時，將導(dǎo)致振型之間的耦聯(lián)作用明顯。

影響結(jié)構(gòu)動力特性的主要因素有建筑高寬比、建筑平面長寬比、結(jié)構(gòu)體系及抗側(cè)力構(gòu)件的布置、質(zhì)量分布。長寬比較大的長矩形平面的建筑，其兩向的平面尺寸一般相差較大，如此一來，長軸方向豎向構(gòu)件提供的側(cè)向剛度和抗側(cè)承載力必定大于短軸方向，2個主軸方向動力特性往往不相近，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ菇Y(jié)構(gòu)2個主軸方向的動力特性相近，同時注意相近不是相等。對長寬比較大的結(jié)構(gòu)，不要過分強(qiáng)調(diào)動力特性相近，避免過于片面追求結(jié)構(gòu)X軸和Y軸方向計算指標(biāo)相近而造成受剪承載力的過大差異，應(yīng)尋求動力特性即結(jié)構(gòu)受剪承載力的合理平衡點(diǎn)。至于結(jié)構(gòu)動力特性相近的實際操作規(guī)范只給出了概念性的要求，沒有具體的控制數(shù)據(jù)[7]。朱炳寅曾提出一般情況下X、Y 2個主軸相鄰的周期比值在20%以內(nèi)時，整體結(jié)構(gòu)在X軸和Y軸方向特性相近[8]。

2.4.2 桁架桿件截面要求

弦桿：鋼筋混凝土桁架上、下弦桿直接或間接承擔(dān)了上部結(jié)構(gòu)傳下來的大部分豎向荷載，上弦桿中間節(jié)間的軸向壓力最大，中間弦桿最大的軸力分布在弦桿的兩端，下弦桿中間節(jié)間的軸向拉力最大，所以弦桿的縱筋配筋率較高，截面面積也是桁架結(jié)構(gòu)中最大的；當(dāng)跨度較大時，通過施加預(yù)應(yīng)力控制撓度和裂縫，在弦桿施加的預(yù)應(yīng)力由鋼筋兩端向中間衰減，并在離兩端一定距離的地方達(dá)到穩(wěn)定；通常下弦桿及上弦桿靠近支座處的剪力和彎矩最大，需要增大截面尺寸或加腋處理。

腹桿：鋼筋混凝土桁架的豎向腹桿（有時可以沒有豎腹桿）一般用于傳遞和分配上部傳來的豎向荷載，豎腹桿一般只有軸力作用，截面面積一般是桁架桿件中最小的，從兩邊向中間遞減。鋼筋混凝土桁架斜腹桿將較大的軸力傳遞到支座，存在一定的剪力和彎矩，截面面積一般介于弦桿和豎腹桿之間。各桿件的截面寬度和高度差值不宜大于400 mm。桿件交接處做加腋處理，以避免發(fā)生剪切、沖切等脆性破壞[4]。

2.4.3 桁架鋼筋構(gòu)造要求

為保證相互連接的鋼筋混凝土構(gòu)件具有整體性，構(gòu)件的鋼筋需要深入相鄰的構(gòu)件或者支座中進(jìn)行錨固；鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋下料長度不夠卻又因為材料原長度限制或者施工原因必須截斷時，可以按要求進(jìn)行合理搭接來滿足下料長度的要求。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋能夠和混凝土共同工作，主要是依靠鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)錨固作用，鋼筋的錨固和鋼筋的搭接都是混凝土結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)荷載和傳遞內(nèi)力的基礎(chǔ)。如果錨固達(dá)不到規(guī)范的要求，鋼筋和混凝土將無法共同傳遞和承受荷載，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力大大降低而發(fā)生脆性破壞。

具體要求：嚴(yán)格控制桁架弦桿鋼筋接頭的接頭率，避免接頭率過高，鋼筋接頭宜錯開足夠的距離；桁架腹桿一般較短，且截面較大，為保證弦桿傳遞軸力的均勻連續(xù)，縱筋不允許設(shè)置接頭；弦桿接頭形式采用機(jī)械接頭，接頭質(zhì)量等級不低于2級，使弦桿鋼筋更具延展性，增加桁架的延性；腹桿桁架縱筋錨固長度在桁架下弦節(jié)點(diǎn)自下弦頂面算起，桁架腹桿縱筋錨固長度在桁架上弦節(jié)點(diǎn)自上弦頂面算起；腹桿縱筋錨固困難時，若錨固長度能夠滿足構(gòu)造要求時，鋼筋可不用打彎而完全采用直錨的形式進(jìn)行錨固。外伸區(qū)域腹桿應(yīng)設(shè)置箍筋，箍筋直徑與上、下弦桿之間截面箍筋相同，箍筋間距可采用100～200 mm，且要求箍筋數(shù)量大于3組。受拉桿件抗剪計算時應(yīng)充分考慮軸力的不利影響，受壓桿件可考慮其軸力的有利影響，出于對桁架結(jié)構(gòu)整體性和安全性的考慮，上、下弦桿的箍筋一般都通長加密。

3 結(jié)論

本文以桂東醫(yī)院門診大樓為例，對桁架轉(zhuǎn)換層及整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模計算，對整體結(jié)構(gòu)的受力性能和動力性能加以分析，計算和分析結(jié)果后得出以下結(jié)論。

（1）混凝土桁架適用于大跨度的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)，雖然桁架斜腹桿的水平作用容易引起整體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度變化不均勻、抗剪承載力突變等問題，但是這些不足可以通過在桁架端部加設(shè)剪力墻等調(diào)整結(jié)構(gòu)布置的方法來解決。

（2）跨層桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)不僅承擔(dān)了上部結(jié)構(gòu)的豎向荷載，同時也是抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)在整體平面布置時應(yīng)保證相鄰樓層抗側(cè)剛度均勻變化，并遵循桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)沿整體結(jié)構(gòu)平面周邊布置、分散布置等原則，避免整體結(jié)構(gòu)剛度在平面上某區(qū)域的過度集中，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大扭轉(zhuǎn)。

（3）桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)下部柱網(wǎng)大，上部墻體、柱網(wǎng)密，為了將上、下剛度進(jìn)行合理過度，應(yīng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的抗側(cè)剛度，弱化轉(zhuǎn)換層上部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的抗側(cè)剛度；并遵守強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件的原則，保證整體結(jié)構(gòu)的延性；遵守強(qiáng)邊柱、弱中柱的原則，減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

參 考 文 獻(xiàn)

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