某钢桁架转换层结构的受力分析与现场实测

陈飞 王舒缇

大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁 大连 116023

某钢桁架转换层结构的受力分析与现场实测

陈飞 王舒缇

大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁 大连 116023

基于数值分析和现场实测进行了某钢桁架转换层结构的承载能力研究。数值分析模型中，分别采用杆单元、梁单元和纤维单元模型计算了结构的荷载—位移关系，结果表明，杆单元与梁单元计算结果基本一致。通过计算结果与现场实测挠度值的对比，认为该钢桁架有足够的承载能力安全储备。

钢桁架转换层；承载能力；数值分析；现场实测

Steel truss transfer story; load carrying capacity; numerical analysis; field measurement

大跨度钢桁架-混凝土组合结构在我国许多大型工程中获得了应用[1-2]。而目前许多工程单位对这种新型结构的受力机理认识尚不清晰，加之近年来全球大震频发对工程结构造成的严重震害，引起了人们对新型结构形式承载能力的关注[3]。本文针对某12层框架—剪力墙结构中的一钢桁架转换层，分别采用数值分析和现场实测的方式，对其承载能力进行了研究。

1. 工程概况

某框架—剪力墙结构，地上12层，地下2层。在其主楼右侧2～3层采用了钢桁架转换层，如图1所示。转换层上部9层为钢筋混凝土框架—剪力墙结构。转换钢桁架采用Q345钢材，为工厂加工预制，并运输至施工现场安装。钢桁架梁柱均为箱形截面，且位于1～6轴上的钢箱内填C50自密实混凝土。除斜向钢支撑外，其余部分均在钢箱外侧包150～250mm厚度C50混凝土，并配置一定量的纵向和横向钢筋。

由于钢桁架层最大跨度已达18m，且上部有9层钢筋混凝土结构，为充分保证桁架层的受力安全，对桁架层的受力特性进行了分析，并在施工过程中对桁架层的变形进行监控、校核。

图1 某钢桁架转换层示意图

2 钢桁架承载力的模拟分析

考虑最为危险的情况，将桁架简化为图2所示的简支体系。

图2 18m跨度桁架计算采用的力学模型

显然，当仅考虑轴力F作用时，杆件ac、cd、ef、gh、gj均为零杆。则模型可简化为图2(b)所示。根据设计单位提供的荷载，上部9层结构每层自重约1500kN，9层结构引起的F最大为13500kN。

假设轴力F为20000kN，则可计算出各杆件内力分别为：

Nab=Nij=-10000kN；Nbd=Nde=Neh=Nhi=-10660kN；Ncf=Nfg=21330kN；Nce=Neg=-14620kN；

Nbc=Ngi=14620kN

考虑各杆件内力，不考虑混凝土的作用，仅考虑钢架的受力，则各杆件应力为：

fbd=fde=feh=fhi=-1 5 6 M P a；fcf=ffg=312MPa；fce=feg=-234MPa；fbc=fgi=234MPa

可以看出，钢桁架的最大承载力约在20000kN左右，远大于设计单位提供的荷载值。

为进行钢桁架受力全过程的分析，分别采用Link8杆单元，Beam188梁单元和纤维单元模型建立了桁架的分析模型，并进行了受力全过程的分析，Link8杆单元和Beam188梁单元模型采用大型通用有限元软件ANSYS[4]，纤维单元模型采用ZeusNL软件计算[5]。Beam188单元和纤维单元的计算模型如图3所示。各模型计算的桁架跨中荷载F-位移Δ曲线及对比如图4所示。需要说明，Link8单元和Beam188单元模型中均未考虑钢桁架内填和外包混凝土的影响，纤维单元模型则考虑了桁架中混凝土的影响。

图3 钢桁架数值计算模型

图4 不同计算模型计算的荷载—位移曲线

尽管Link8单元和Beam188单元的有限元模型存在很大的差别，如Link8单元的仅考虑杆件的拉压、且节点为铰接，而Beam188梁单元考虑了弯曲，且节点为刚接。但从图4可以发现，两者计算的桁架梁荷载—位移曲线几乎是一致的，这说明，对桁架结构采用杆单元计算其承载能力时，可取得与梁单元接近的计算精度。

纤维单元模型与前两者计算结果存在一定的差距，表现在纤维模型计算的刚度偏大，承载力略高等，但应当注意到造成这种差别的主要原因是由于纤维模型中考虑了钢桁架内填和外包钢筋混凝土的影响。

值得注意的是，无论哪种计算模型计算的钢桁架屈服时的承载力都在20000kN以上，远大于上部9层结构的自重，由此可以得出结论，钢桁架具有很高的安全储备。

3 钢桁架的现场实测

施工过程中采用高精度水准仪和全站仪量测了钢桁架跨中的挠度情况，假定上部每层自重为1500kN，根据各模型计算的跨中位移值与实测结果进行了对比，如表1所示。

可以看出，实测跨中挠度值远小于各模型计算值，这主要是由于各计算模型为结构的最保守估计，采用的是如图2所示的模式，边界约束条件较实际结构明显偏弱，实际钢桁架受左右两侧钢筋混凝土结构的约束，刚度明显偏大，实际承载能力更强。另外值得注意的是，每层施工完毕后实测跨中挠度基本呈线性变化，这也从侧面反映出结构此时仍处于线性状态，远未达到屈服。

表1 结构实测跨中挠度及与计算模型的对比

4 结语

为研究某钢桁架转换层的承载力，首先采用数值分析手段计算了结构受力全过程的荷载—位移曲线，并通过与现场实测挠度结果进行对比，主要结论为：

1) 对钢桁架结构，采用杆单元和梁单元模型可以取得一致的计算精度；

2) 上部9层结构施工完毕后，该结构仍处于弹性状态，具有很高的承载力安全储备。

[1] 傅学怡.带转换层高层建筑结构设计建议[J].建筑结构学报,1999,20(2):28-42.

[2] 徐政辉.某高层建筑中转换层的结构设计与施工[J].山西建筑,2012,38(8):46-48.

[3] 孙治国,王东升,李宏男,等.汶川地震钢筋混凝土框架震害及震后修复建议[J].自然灾害学报,2010,19(4):114-123.

[4]司炳君,孙治国,艾庆华.Solid65单元在混凝土结构有限元分析中的应用[J].工业建筑,2007,37(1):87-92.

[5] 孙治国,郭 迅,王东升,等.钢筋混凝土空心墩延性变形能力分析[J].铁道学报,2012,34(1):91-96.

Analysis and field measurement of the load carrying capacity of one steel truss transfer story

Fei Chen Shuti Wang
The design institute of civil engineering & architecture of DUT, Dalian, 116024

Based on numerical analysis and field measurement, the load carrying capacity of one steel truss transfer story was studied. In the analysis model, link, beam and fiber element were used to calculate the load-displacement relationship of the steel truss transfer story, and it is found that load carrying capacity obtained by the link and beam element were almost the same. By comparing the field measured displacement and analysis results, it can be concluded that the steel truss transfer story is safe enough.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.037

陈飞，男，1982年1月出生，工程师，大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司结构所;

王舒缇，女，1984年10月出生，助理工程师，大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司结构所。