钢管—混凝土组合桁架结构的静力分析

贾航 黄勇 谢钦

(贵州大学土木建筑工程学院，贵州贵阳 550025)

0 引言

钢管—混凝土桁架组合结构是由钢管与混凝土组成的一种结构。学者对组合桁架结构的研究已有很多，如文献[1］指出，正常使用情况下，钢—混凝土组合桁架的工作特征表现为弹性性能，继续加载至极限荷载95%时，试件由于斜腹杆的屈曲而破坏，组合桁架的截面突变仍然基本上符合平截面假设。文献[2］提出，普通桁架杆件之间假定为铰接，忽略节点刚度的影响，不计次应力对杆件内力所引起的变化，另外，模型试验和工程实践都已表明，铰接是完全许可的。

钢—混凝土组合桁架方面的研究已趋于完善。但是钢—混凝土组合结构一般适用于桥梁和重型屋面结构，而不适用于轻型屋面结构。针对轻型屋面，本文提出用钢管代替下弦及腹杆处的型钢，并且去掉桁架的上弦杆，而用混凝土板直接来做上弦。本文主要就是对这种改进的组合桁架运用ANSYS建立模型，对其进行静力分析，为其工程应用和理论分析提供依据。

1 钢管—混凝土组合桁架的构造和特点

1.1 钢管—混凝土组合桁架的构造

钢管—混凝土组合桁架上弦没有采用钢管，而是用混凝土板取代上弦杆来承担压力，混凝土板与腹杆的连接是通过钢垫板来传递的，钢垫板与腹杆焊接，混凝土板与钢垫板之间通过抗剪连接件连接。钢管—混凝土组合桁架上弦节点构造示意图如图1所示。

图1 钢管—混凝土组合桁架上弦节点构造示意图

1.2 钢管—混凝土组合桁架的特点

钢管—混凝土组合桁架结构用混凝土板代替彩钢板或玻璃等作为围护结构，同时混凝土板代替上弦杆而受压。这样混凝土不仅可以取代上弦杆充分地发挥其抗压强度，还可以取代大量的面外支撑杆，并且对桁架起到面外支撑的作用。

这种结构将充分发挥钢材受拉和混凝土受压的有利条件，使两种不同材料充分发挥各自强度优势;同时由于上弦的混凝土参与工作，所以结构的抗弯刚度会大大的提高，抗震性能也会有所提高。

2 算例设计与分析方法

2.1 算例设计

本文以某场馆为例进行分析，建筑平面为矩形，尺寸为20 m×24 m，柱网为8 m×20 m，桁架间距为2.0 m，桁架与边梁铰接处理。桁架部分全部采用方钢管，其中桁架的下弦杆采用截面尺寸为100 mm×100 mm、壁厚为8 mm的方形钢管，腹杆采用截面尺寸为80 mm×80 mm、壁厚为8 mm的方形钢管。混凝土板翼板的宽度根据文献[6］中组合梁翼缘宽度的取法取为2 m，板厚根据文献[3］取为80 mm，桁架高度根据文献[3］取为1.4 m。一榀桁架立面图如图2所示。

图2 钢管—混凝土组合桁架一榀桁架立面示意图

2.2 分析方法

建立有限元模型，采用杆单元来模拟桁架下弦杆和腹杆。对于混凝土板，由于其纵向和横向的尺寸都远大于竖向尺寸，故采用板单元模拟。应用ANSYS建立有限元模型，采用Link8单元模拟桁架的下弦杆和腹杆，采用Shell63单元模拟混凝土板。

本文仅选取一榀桁架进行分析。混凝土强度等级取为C30，弹性模量取3.0，泊松比取0.2。钢管采用Q235级钢，弹性模量取2.06，泊松比取0.3。桁架两端铰接，混凝土板与腹杆通过合并节点来自动耦合，板的两侧边采用对称约束。建模时不考虑结构材料自重，而是把自重换算为恒载直接加在结构上。网格划分时，桁架部分各杆件自身作为一个单元，混凝土部分划为正方形单元，尺寸大小为0.5 m×0.5 m，有限元模型如图3所示。

图3 钢管—混凝土组合桁架有限元模型

3 主要分析结果

3.1 组合桁架轴力分析

本文分别对20 m跨度的组合桁架和普通钢管桁架进行分析，除桁架上弦外，保证普通钢管桁架的所有参数与组合桁架中的钢桁架部分完全一致，普通桁架上弦杆采用与下弦相同的钢管，仅将荷载施加在桁架的节点上。组合桁架腹杆内力计算结果如图4所示。

图4 钢管—混凝土组合桁架腹杆轴力图

由图4可知组合桁架各斜腹杆的内力分布为两边大，中间小，中间腹杆轴力几乎为零，这和普通简支实腹梁的剪力分布相类似(支座处最大，跨中最小)，这表明组合桁架的受力模型是合理的。

桁架下弦共10根杆，依次划分为10个单元，由于结构对称，表1中只给出下弦杆左半跨的五个单元的轴力。

表1 两种桁架下弦杆轴力对比 N

由表1可知，钢管—混凝土组合桁架与普通钢管桁架的受力性能基本一致，但是前者轴力相对较小，下弦跨中轴力最大，为392 370，支座处最小，为119 512;而普通钢管桁架下弦杆轴力跨中为446 610，支座处为160 780，并且钢管—混凝土桁架较普通桁架内力均有所降低，跨中轴力降幅达12.14%。从经济和施工方面来讲，内力小就可以降低材料用量，从而节省造价;而在材料一定的情况下，钢管—混凝土组合结构的承载力将会有较大提高，由此表明钢管—混凝土组合桁架结构体系较普通桁架更具有优越性。

3.2 组合桁架位移分析

表2给出了两者下弦左半跨各节点的挠度值及对比，由表可知，在相同荷载作用下，组合桁架跨中挠度为28.98 mm，而普通钢管桁架的跨中挠度达40.42 mm，两者挠度均满足相关规范的挠度限值(l/400)。但是钢管—混凝土组合桁架与普通桁架相比下弦各节点挠度均有所减小，最大降幅达30.24%，可见，用混凝土板来代替上弦杆之后，结构的挠度大大减小，抗弯刚度明显提高，材料和截面高度一定的情况下，适用的跨度更大;而跨度一定的情况下，可以用较小的截面高度就能满足规范要求。

表2 两种桁架挠度对比 mm

3.3 组合桁架混凝土板的内力分析

由图5可知，混凝土板X方向应力值大部分处于－1.57 N～－7.2 N之间，基本处于受压状态，与普通钢管桁架上弦杆受力性质相似。同时由图5还可以看出，混凝土板与腹杆接触的地方会出现比较大的应力集中现象，应力比较复杂，局部可能会处于受拉状态。当应用于实践时，还需要做进一步的深入研究。

图5 组合桁架上弦混凝土板内力云图

4 结语

本文主要是提出在普通钢管桁架的基础上改进而得来的一种新型组合桁架，即用混凝土板取代普通钢管桁架的上弦杆。从以上的分析可知，这种组合桁架符合普通钢管桁架的受力性能，即下弦受拉，上弦混凝土板取代上弦而受压，充分发挥了混凝土的抗压强度和钢材的抗拉强度。另外，混凝土板可以改善下弦杆的受力性能，从而可以使结构受力更合理;由挠度分析可知，钢管—混凝土组合桁架结构的跨中挠度较普通桁架的挠度降低28.3%，表明其抗弯刚度有较大提高。此外，本文还提出了腹杆与混凝土板的节点构造和相关处理。但要应用于工程实践还需要对其动力特性进行更为深入研究。

[1]R.Bjorhovde.Full scale test of a composite truss.Structural Engineering Report 97，Department of Civil Engineering，University of Alberta，1980.

[2]张毅刚，薛素铎，杨庆山，等.大跨度空间结构[M］.北京:机械工业出版社，2008.

[3]GB 50010-2010，混凝土结构设计规范[S］.

[4]GB 50017-2003，钢结构设计规范[S］.

[5]张 磊.轻钢框―桁架组合结构的研究及在加层建筑中的应用[D］.贵阳:贵州大学硕士学位论文，2011.

[6]聂建国，刘 明，叶列平.钢—混凝土组合结构[M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

[7]杨 洋.钢—混凝土组合梁单调静力性能有限元分析[J］.山西建筑，2011，37(23):67-68.