某裝配式交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)布局分析

冷新中 李澤深 胡雪雅

1.結(jié)構(gòu)特性

裝配式交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)有如下特點(diǎn)：（1）除樓梯間等局部位置，鋼柱布置于建筑的外圍，建筑室內(nèi)無中間柱子，可以節(jié)省中間柱子占用面積。（2）鋼桁架沿框架柱交錯(cuò)布置，除首層外，桁架的高度與建筑層高相同，跨度與建筑的結(jié)構(gòu)寬度相同，桁架兩端支撐于框架柱上。（3）混凝土樓板一端支撐在鋼桁架的上弦桿，另一端則支撐在相鄰上層桁架的下弦桿上。

基于上述結(jié)構(gòu)特性，因此交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)建筑具有空間大，建筑內(nèi)部沒有中柱，便于建筑的靈活布置；建筑凈空大，由于樓板支撐與桁架弦桿，沒有次梁等優(yōu)點(diǎn)。

交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)適用于中間具有內(nèi)廊的建筑，比如辦公樓、酒店、公寓等。其由框架柱、橫向桁架組成橫向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)，框架梁柱、縱向支撐組成縱向抗側(cè)力結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的水平荷載通過樓板傳遞給橫向桁架，再傳遞給柱子，結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要承受軸力，可以較好地發(fā)揮材料的性能[1]。

2.工程概況

為了研究裝配式交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)在常規(guī)建筑布局下的經(jīng)濟(jì)性能，本文選取某七層內(nèi)廊式辦公建筑，建筑跨度為8m+2.5m+8m=18.5m，建筑功能為某公司辦公樓，結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1。為了研究不同桁架間距、不同層高情況下，交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，按照一層、二層～七層層高分別為3.6m、3m（層高工況1）；3.9m、3.3m（層高工況2）；3.9m、3.6m（層高工況3）進(jìn)行的對(duì)比計(jì)算分析，同時(shí)桁架間距分別為：3.6m（間距工況1）、3.9m（間距工況2）、4.2m（間距工況3）、4.5m（間距工況4）、4.8m（間距工況5）。

圖1 結(jié)構(gòu)剖面圖

對(duì)不同層高工況、不同桁架間距工況進(jìn)行排列組合，共15 種分析工況。結(jié)構(gòu)荷載：樓板厚度120mm 厚，恒載由軟件自動(dòng)計(jì)算；附加恒載考慮50mm 裝修面層、吊頂?shù)龋?50kg/m2?；钶d取值按照現(xiàn)行荷載規(guī)范取值。

3.計(jì)算分析

計(jì)算采用有限元軟件YJK，建立整體空間結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算分析。對(duì)上述15 個(gè)模型的計(jì)算分析，并且按照現(xiàn)行規(guī)范指標(biāo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)每種分析工況下的結(jié)構(gòu)的用鋼量、樓板鋼筋用量等參數(shù)，同時(shí)對(duì)鋼柱、桁架弦桿等主要受力構(gòu)件截面進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。

3.1 構(gòu)件截面分析

通過計(jì)算分析，在不同的層高工況，桁架間距工況條件下，建筑主要受力構(gòu)件鋼柱為矩形截面，桁架弦桿為H 型鋼梁，鋼材材質(zhì)為Q355B。

通過分析，在桁架間距一定，層高增大的情況下，鋼柱截面規(guī)格在增大，工況1 到工況2 時(shí)，鋼柱截面變化不大，工況3 時(shí)，由于層高突破多層建筑，因此鋼柱截面有較大幅度增大；在層高工況一定，桁架間距增大的情況下，間距1—間距2 工況下，鋼柱截面變化不大，間距3—間距5 工況下，隨著桁架間距的增大，分擔(dān)荷載的增加，鋼柱截面有較大幅度增大。

在各種工況下，桁架弦桿的截面規(guī)格沒有變化，由于交錯(cuò)桁架的桁架高度相當(dāng)于樓層高度，建筑跨度為18.5m，桁架上弦、下弦均有樓板約束，因此具有較大的荷載適應(yīng)范圍?？紤]到制造加工、連接節(jié)點(diǎn)等，沒有再對(duì)弦桿進(jìn)行優(yōu)化[2]。

3.2 層高對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響

在桁架間距保持一定，對(duì)不同層高工況的用鋼量指標(biāo)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，用鋼量指標(biāo)詳見圖2?？梢钥闯?，在桁架間距一定的情況下，隨著結(jié)構(gòu)建筑層高、建筑高度的增加，用鋼量呈線性增長(zhǎng)。工況1 變化到工況2，用鋼量增加比例不大，工況2 變化到工況3 用鋼量有大幅度增加，由于工況3 的建筑高度超過24m，需按照高層建筑相關(guān)指標(biāo)設(shè)計(jì)構(gòu)件，因此引起用鋼量的較大幅度增加。

圖2 用鋼量曲線圖

3.3 桁架間距對(duì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的影響

在層高工況保持一定，對(duì)不同桁架間距工況的用鋼量指標(biāo)進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，每平方米用鋼量指標(biāo)詳見圖3。在層高工況1 情況下，用鋼量指標(biāo)在間距工況1～工況3 之間以較大幅度下降，間距工況3～工況5 之間緩慢上升。在間距工況3，即間距為4.2m 時(shí)，用鋼量最省；在層高工況2、工況3 情況下，用鋼量指標(biāo)在間距工況1～工況4 之間以較大幅度下降，間距工況4～工況5 之間緩慢上升。在間距工況4，即桁架間距為4.5m 時(shí)，用鋼量最省[3]。

圖3 用鋼量曲線圖

桁架間距工況1～工況3 的情況下，樓板配筋基本一致。間距工況4、間距工況5 樓板配筋有所增加，而且常規(guī)的壓型鋼板或者鋼筋桁架樓承板無法實(shí)現(xiàn)免支撐施工，需要在跨中設(shè)置臨時(shí)支撐。因此，綜合考慮，間距工況3 綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是相對(duì)較優(yōu)的。

4.小結(jié)

對(duì)于交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)，通過對(duì)上述某七層內(nèi)廊式辦公建筑的分析，可以初步得出交錯(cuò)桁架經(jīng)濟(jì)布局。

（1）建筑層高，首層層高不超過3.9m，標(biāo)準(zhǔn)層層高不超過3.3m，總體建筑高度小于24m，對(duì)于多層交錯(cuò)桁架結(jié)構(gòu)是較為經(jīng)濟(jì)的層高。

（2）綜合考慮結(jié)構(gòu)用鋼量、樓板鋼筋用量以及施工支撐措施等，交錯(cuò)桁架間距取值4.2m 是較為經(jīng)濟(jì)的。房屋開間為4.2m，相對(duì)于傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)來說，對(duì)應(yīng)8.4m 的柱距，也適用于辦公、酒店、公寓等建筑常用的開間布置。

（3）由于篇幅所限，本文僅對(duì)某一類多層交錯(cuò)桁架建筑結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)布局進(jìn)行了分析研究。對(duì)于7層～12層的小高層，以及高層建筑，還有待后續(xù)研究分析。