某各層弱相關懸掛結構轉換桁架設計及關鍵節(jié)點分析*

向 虎, 程 暢, 邱 劍, 龍 浩, 溫四清

(中信建筑設計研究總院有限公司，武漢 430014)

1 工程概況

圖1 屋頂轉換桁架及懸掛樓層局部三維模型

2 屋頂轉換桁架方案比選

屋頂轉換桁架下弦桿兼做屋面主框架梁,下弦桿頂標高70.630m,屋面板板厚120mm,板底與下弦桿頂面平齊,上弦桿頂標高78.650m。由文獻[1]圖7可知,挑空區(qū)相對于落地結構是偏置的,挑空區(qū)重量需要靠⑩～軸交軸、軸鋼管混凝土柱和剪力墻承擔。結合挑空區(qū)的位置分布和荷載分布(～軸交～軸屋面設置有較重的設備),且為了使屋頂轉換桁架具有較好的整體性,初步考慮在⑩～軸、1/B軸、軸、軸、軸設置9榀桁架。因腹桿長度較長,H型鋼繞弱軸的整體穩(wěn)定性較差,故桁架腹桿均采用箱形截面。、軸桁架懸挑跨度最大(達到15.5m),受荷范圍最大,是主要受力桁架,是方案比選的重點。

圖2 、軸主桁架方案立面簡圖

采用YJK軟件對4種桁架方案進行計算,方案比選模型不考慮桁架上下弦樓板作用,即將樓板板厚設置為0,樓板自重計入恒載施加到樓板上。以軸桁架為例,部分桁架桿件內力及截面尺寸見表1,標準組合下桁架下弦端部最大豎向位移結果見表2,桿件編號見圖2。

表1 軸桁架的部分桿件比選信息

表1 軸桁架的部分桿件比選信息

方案桿1桿2桿2a桿3桿41軸力/kN-18 80019 793—3 8809 609彎矩/(kN·m)-19 3071 795—-2 232303截面/mm800×1 400×100×100800×800×60×60—800×800×40×60800×500×20×60應力比0.920.72—0.380.482軸力/kN-4 131-22 818—19 1699 442彎矩/(kN·m)-5 4261 175—2 358267截面/mm800×800×60×60800×800×60×60—800×800×60×60800×500×20×60應力比0.650.86—0.750.463軸力/kN-12 671-13 85011 05913 1145 616彎矩/(kN·m)-4 006900.4581-1 346297截面/mm800×800×60×60800×500×40×60800×500×40×60800×800×40×60800×500×20×60應力比0.820.690.540.550.324軸力/kN-12 386-13 77410 90313 0439 153彎矩/(kN·m)-4 018916584-1 359284截面/mm800×800×60×60800×500×40×60800×500×40×60800×800×40×60800×500×20×60應力比0.820.690.530.550.45

注:1)桿件內力工況為1.1×(1.3恒載+1.5活載);2)構件截面為箱形截面;3)軸力的正值為拉力、負值為壓力。

表2 標準組合下軸桁架下弦端部最大豎向位移/mm

表2 標準組合下軸桁架下弦端部最大豎向位移/mm

方案方案1方案2方案3方案4位移-54.43-55.60-47.89-50.17

結合表1、2對各桁架方案進行對比。

(1)相較于方案4,方案1中下弦桿1軸壓力約增加52%,彎矩約增大381%,導致下弦桿和斜腹桿截面過大,影響下部樓層凈高,且單位長度桿件自重過大,吊裝難度很大,施工困難。

(2)相較于方案4,方案2中上弦桿3軸拉力增大50%,彎矩增大74%,斜腹桿2的軸壓力大66%,導致上弦桿和斜腹桿截面需要加大,施工困難。

(3)方案3和方案4中構件受力更均勻,構件截面相比方案1和方案2小,單根構件重量相對較小,便于吊裝施工。桁架豎向位移更小,便于施工控制。

3 屋頂轉換桁架設計

考慮到桁架上弦沒有樓板,且挑空區(qū)相對于落地結構偏置,為保證屋頂桁架上弦平面的平面內整體性,減小上弦平面內的變形,在桁架上弦周邊柱網(wǎng)及～軸間設置水平支撐,在?～?軸框架柱頂設置框架梁。屋頂轉換桁架三維模型見文獻[1]的圖11。

3.1 多模型包絡設計

屋頂轉換桁架是本項目的主要受力構件,其安全性直接關系到懸掛結構的安全,故其受力狀態(tài)需要特別重視。為保證屋頂轉換桁架安全,計算時采用多種模型進行包絡,包絡模型及桁架構件最大應力比見表3。由表3可知:1)屋頂轉換桁架具有足夠的承載能力,能保證結構受力安全。2)不考慮樓板作用[2]時的桁架桿件應力比比考慮時增大約23%,可見是否考慮樓板的作用對桁架構件受力影響較大,未采取有效措施保證樓板與桁架桿件共同工作時,按不考慮樓板作用對桁架進行包絡設計是非常必要的。

表3 屋面轉換桁架包絡模型及桁架構件最大應力比

表4 鋼桁架主要受力桿件參數(shù)

3.2 抗連續(xù)倒塌分析

屋頂轉換桁架穩(wěn)定性和承載力對于懸掛結構至關重要,為了保證轉換桁架具有足夠的抗連續(xù)倒塌能力,采用《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ 3—2010)[4](簡稱《高規(guī)》)中的拆除構件法,分別拆除、軸桁架在～軸的1根腹桿,對剩余結構采用線性靜力分析方法進行抗連續(xù)倒塌設計[5],分析時偏于安全地未考慮效應折減系數(shù)和材料強度提高系數(shù)。4根腹桿XC1、XC2、XC3和XC4的位置見圖3,圖中箭頭一端與腹桿桿端標高較高一端相對應。以軸桁架為例,拆除單根斜腹桿前后的軸桁架桿件應力比結果見圖4。由圖4可知,不考慮上下弦樓板作用時剩余桁架構件的最大應力比為0.88,考慮上下弦樓板作用時剩余桁架構件的最大應力比為0.66,承載力均滿足《高規(guī)》要求。

圖3 腹桿定位圖

圖4 拆除腹桿前后軸桁架構件應力比

3.3 新老規(guī)范關于活荷載折減系數(shù)規(guī)定的差異

屋頂轉換桁架懸掛8個樓層,考慮到8層活荷載同時達到最大的可能性非常小,計算屋頂轉換桁架時可參照柱進行活荷載折減。挑空區(qū)使用功能為辦公,《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)(簡稱《荷載規(guī)范》)與《工程結構通用規(guī)范》(GB 55001—2021)(簡稱《通用規(guī)范》)中關于辦公樓柱活荷載折減系數(shù)的規(guī)定存在較大差異,按照《荷載規(guī)范》,挑空區(qū)活荷載折減系數(shù)可取0.65,但《通用規(guī)范》已將辦公樓移至第1(2)項,不僅樓面荷載值有所提高,柱設計時活荷載折減系數(shù)也增大到0.9。由于YJK只能自動識別豎向構件上部的樓層數(shù)量以確定折減系數(shù),無法向下識別樓層數(shù)量對活荷載折減,且為了使桁架具有一定的安全儲備,屋頂轉換桁架設計時未對活荷載進行折減。

4 關鍵節(jié)點分析

采用SOLIDWORKS建立節(jié)點模型,節(jié)點周邊任意一根桿件端部距離相鄰桿件側壁交點的長度不小于桿件長邊邊長。然后采用ANSYS軟件對節(jié)點進行有限元分析[6]。節(jié)點分析中不考慮鋼管混凝土柱中的混凝土,只考慮鋼結構部分。鋼板厚度不大于36mm時采用Q355C,鋼板厚度大于36mm時采用Q345GJC。材料的本構關系采用理想彈塑性模型。節(jié)點屈服準則采用von Mises屈服準則。

4.1 桁架上弦節(jié)點

圖5 節(jié)點構造

圖6 上弦節(jié)點等效應力云圖/Pa

4.2 桁架下弦吊掛節(jié)點[7]

本項目懸掛樓層各層重量均通過獨立的拉桿懸掛于屋頂桁架上,屋頂桁架下弦單個吊點含8根或4根獨立鋼拉桿,每根鋼拉桿單獨與節(jié)點上的1塊連接板采用銷軸連接。若連接板直接與下弦桿下翼緣焊接,則在下弦桿內部與連接板對應的位置都要設置加勁肋,下弦桿下翼緣鋼板沿厚度方向受力有層狀撕裂風險,且連接板間距較小、數(shù)量多、板件較厚,熔透焊接將產(chǎn)生較大的殘余應力和變形,嚴重影響結構受力安全。為了避免上述受力弊端,將桁架下弦腹板下伸,鋼拉桿連接板與腹板下伸板側面焊接而不與下翼緣焊接,無需在下弦桿內連接板對應位置設加勁肋,減小了桁架下弦的加工難度,避免了鋼板沿厚度方向受力,鋼拉桿連接示意圖見圖7。軸交軸鋼拉桿受力最大,對該處桁架下弦節(jié)點在最不利組合(1.43恒+1.65活)作用下的桿件內力進行有限元分析,該下弦節(jié)點的連接板布置圖見圖8,節(jié)點的等效應力云圖見圖9。由圖9可知,該節(jié)點最大應力為280MPa,未超過鋼材強度標準值335MPa,表明該節(jié)點設計滿足受力要求。

圖7 鋼拉桿連接示意圖

圖8 桁架下弦節(jié)點連接板布置圖

4.3 懸掛樓層吊掛節(jié)點[8]

樓層吊掛節(jié)點采用鋼管柱套的形式,柱套外設置外環(huán)板,鋼梁翼緣與外環(huán)板相連,腹板與柱套相連,吊掛本層的鋼拉桿與鋼管柱套側壁銷軸連接,吊掛下部各層的鋼拉桿從鋼管柱套中部穿過不與本層的鋼管柱套連接,樓層鋼梁中心線通過鋼拉桿中心。軸交軸鋼拉桿受力最大,對該處懸掛樓層吊掛節(jié)點在最不利組合(1.43恒+1.65活)作用下的桿件內力進行有限元分析,該處15層吊掛節(jié)點構造見圖10,節(jié)點的等效應力云圖見圖11。由圖11可知,該節(jié)點最大應力約為268MPa,未超過鋼材強度標準值335MPa,表明該節(jié)點設計滿足受力要求。

圖11 15層某吊掛節(jié)點等效應力云圖/Pa

4.4 剪力墻與鋼管混凝土柱連接節(jié)點

本項目采用圖12的構造解決鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土墻的連接問題,在鋼管混凝土柱臨剪力墻一側設置鋸齒連接板,墻水平鋼筋錯開連接板與鋼管混凝土柱形成的孔洞并與連接板焊接[9]或者穿過孔洞向鋼筋混凝土墻內彎折錨固[10],必要時可在鋸齒連接板之間設置一定間距的水平肋板?；炷链┻^孔洞可起到銷栓的作用,可防止連接板外側混凝土保護層脫落,在水平力作用下也可以起到抗剪鍵的作用,能保證鋼管混凝土柱與鋼筋混凝土墻的整體受力性能。施工時應加強管理,保證節(jié)點處混凝土振搗密實,節(jié)點施工完成效果見圖13。

圖12 剪力墻與鋼管混凝土柱連接構造

圖13 剪力墻與鋼管混凝土柱連接節(jié)點施工完成

5 結論

(1)本項目采用各層弱相關的懸掛結構,在頂部設置轉換桁架,懸掛樓層各層重量均通過獨立吊桿懸掛于屋頂轉換桁架上。根據(jù)挑空區(qū)位置分布及屋頂荷載分布,初步確定屋頂桁架形式,通過對4種方案進行比選,綜合考慮經(jīng)濟性、安全性和施工便利性等因素后,確定采用方案4作為主受力桁架布置方案。

(2)本項目通過多種模型包絡設計保證了屋頂桁架的安全。是否考慮桁架上下弦樓板的作用對桁架構件受力影響較大,若不采取有效措施保證樓板與桁架桿件共同工作,則按不考慮樓板作用對桁架進行包絡設計是非常必要的。

(3)節(jié)點有限元分析結果表明,本項目針對各層弱相關的懸掛結構設計的節(jié)點滿足受力要求。