不同构造形式的伸臂桁架性能对比分析

林绍明

摘要：采用SAP2000有限元软件对九种不同构造形式的伸臂桁架模型进行非线性静力分析，优选出具有良好性能的伸臂桁架构造方案。研究结果表明，伸臂桁架采用人字形、V字形和跨层K字形构造时，其抗侧效率较高，工作性能较好。

关键词：伸臂桁架；非线性静力分析；力学性能；工作效率

中图分类号：TU355 文献标识码：A 文章编号：1674-3024（2016）14-112-02

引言

当框架一核心筒结构在水平荷载作用下的侧向变形过大时，常在设备层或避难层中设置加强层，提高结构的整体抗侧刚度，如上海环球金融中心等。但加强层的设置会使结构的抗侧刚度和内力产生突变，容易形成薄弱层。为此，工程中常采用“有限刚度”的伸臂桁架加强层，既能适当弥补结构整体刚度的不足，又能尽量减小结构的内力突变。

鉴于斜腹杆布置方式对伸臂桁架的力学性能具有较大的影响，本文通过对不同构造形式的伸臂桁架模型进行非线性静力分析，优选出具有良好性能的伸臂桁架构造方案。

1伸臂桁架不同构造方案的性能对比

1.1伸臂桁架的形式

统计相关工程案例，常见的加强层伸臂桁架的形式如图1（只列出其必要的受力杆件）所示：（1）单斜杆形；（2）人字形；（3）V字形；（4）三折线形；（5）两跨人字形；（6）两跨V字形；（7）单层X形；（8）跨层X形；（9）跨层K字形。

1.2有限元分析模型

采用SAP2000有限元软件对以上九种不同构造伸臂桁架进行建模分析，加载示意图如图2所示。SAP2000模型中不考虑伸臂桁架的屈曲失稳，斜腹杆中部赋予轴力铰，模拟其轴向受力性能；弦杆端部赋予轴力弯矩铰，中部赋予轴力铰，模拟其弯曲和轴向受力性能。

1.3不同构造方案的性能对比各构造方案的竖向承载力与竖向位移曲线如图3所示，相应的性能对比结果见表1，其中材料用量仅考虑受力结构构件的用量。

由图3和表1可知：（1）采用单斜杆形构造，其弹性刚度和极限承载力最小，材料用量最少，延性最好；（2）采用跨层X形构造，其弹性刚度和极限承载力最大，材料用量最多，延性适中；（3）采用K字形构造，其弹性刚度第二大，材料用量第二少，延性较好，但极限承载力不高；（4）采用单层x形构造，其极限承载力和材料用量第二高，弹性刚度适中，延性较差；（5）采用三折线、两跨人字形和两跨V字形构造，其弹性刚度、极限承载力、材料用量均适中，延性较差；（6）采用人字形和V字形构造，其弹性刚度适中，极限承载力不高，材料用量较少，延性较好。

从施工的角度对比可知，单层X形和跨层X形构造要求斜腹杆轴线处于同一立面，斜腹杆交叉连接处的施工复杂和构造措施较多；其他七种构造形式，施工相对较简单。

综上可知，伸臂桁架采用人字形、V字形和跨层K字形构造时，其抗侧效率较高，工作性能较好。

2结论

本文采用SAP2000有限元软件对九种不同形式的伸臂桁架模型进行非线性静力分析研究，主要结论如下：

（1）工程案例常见的伸臂桁架形式中，通过调整桁架斜腹杆的布置方式及设计参数，可以有效控制伸臂桁架加强层的力学性能；

（2）伸臂桁架采用人字形、V字形和跨层K字形构造时，其抗侧效率较高，工作性能较好。