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1、第十八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年带简体的转换钢桁架整体模型试验研究肖从真刘智王翠坤张维凝( 中国建筑科学研究院，北京1 0 0 0 1 3 )提要：浙江省电力公司生产调度综合楼转换钢椅架阶段受力，约柬条件不明确，受力复杂。通过带筒体嗣了研究，为设计提供依据。关键词：转换层钢桁架模型试验裘涛秦从律贺明卫( 浙江大学建筑设计研究豌，杭州3 1 0 0 2 7 )藏结构，因施工中留有后浇带，存在两整体模型试验，对结构的受力性能进行1 前言浙江省电力公司生产调度综合楼位于杭州市，地上1 4 层，地下3 层，高6 5 4 0 m ，长1 3 7 7 m ，宽4 8 。0 m 。建筑
2、面积8 2 6 6 3 m 2 ( 地上5 5 2 4 3 m 2 ，地下2 6 4 2 0 m 2 ) ，采用钢筋混凝土框架剪力墙结构体系。因建筑功能需要，该工程结构平面、立面布置均较复杂。其中，在结构第1 l 层设有三榀转换钢桁架，上面承托4 层钢筋混凝土结构，荷载较大。转换钢桁架高8 m ，其单跨最大跨度为4 8 6 m ，属高位转换，且跨度较大，结构受力情况比较复杂。三榀转换桁架作为整体共同承担荷载作用，保证了结构有足够的刚度( 尤其是扭转刚度) 作为整体抵御外荷作用。该工程转换钢桁架，存在两阶段受力，施工阶段在桁架端部型钢混凝土柱中和桁架及桁架以上层楼板跨中设置后浇带，以减少桁架对混
3、凝土筒体的影响。施工阶段桁架约束条件不明确，受力复杂。使用阶段后浇带封闭，结构形成整体，转换钢桁架通过剪力连接件与楼板及混凝土梁共同受力。对于这种结构整体受力的程度，现有的计算手段难以准确反映。为此通过带简体的两榀钢桁架整体模型试验，对结构的受力性能进行了研究，为设计提供依据。2 模型试验2 1 试验模型试验模型越大，对结构的仿真越好。浙江省电力公司生产调度综合楼试验选取的两榀钢桁架长5 6 7 m ，根据试验场地和加载能力的限制，试验模型取两榀钢桁架及相邻剪力墙简体，高度取到桁架上下各一层。模型比例1 ：7 5 ，模型高2 。8 9 米，长9 5 7 米，试验模型见图l 。试验主要检验桁架在
4、竖向静荷载下的结构性能和承载能力。试验中对桁架主要杆件的应力及上下弦节点位移进行了测试，共设置测点2 4 7 个，试验结果通过自动数据采集系统记录，熬理。试验分三阶段进行，首先进行单榀桁架试验，然后分阶段进行施工阶段肖从真，男，1 9 6 7 6 乜生，研究员1 3 0 第十八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年和试验阶段试验，详见文献 1 】。2 2 单榀桁架试验荷载分阶段加到施工荷载的1 3 3 倍( 2 0 0 k N ) ，设计荷载的O 8 2 倍，这时，桁架各杆件和节点均未出现破坏和异常现象。本途试验最大应力8 0 M P a 。为防止桁架出现非弹性变形，影响下一阶段试验
5、，终止了试验。2 3 施工阶段试验和使用阶段试验n飞圆 一 l，燃n抽蔓- 羹曩主1 剧l 桂 翻广1 9 石- ql一- t j _蛐柚I 蛐，I 柚蛐蛐_ n锄lm蟠虻l端I瑶3mX淑潦夕氐X磊 缓入卢奄名海f嵫端2l O O 帖1 a 1 0 8 01 0 1 0 8 02 弱 5 7 配淑汊葵瀛影、一 笳趴叭 交焱汝弦尺入影凝-m埘认认精琳黼1 0 ，嘲ll O B 01 0 銎曼如1 啪1 an ntn南fn n，q南钾精泉H 0 2 静静参骞辑尊营营蕾尊謦争嚣l盥旦旦一图1试验模型试验加载情况见图2 和圈3 。当竖向荷载低予荷载设计值时，模型上无裂缝发生，模1 3 l霉鼎凶J鹭卫煎
6、型地幽r 上r 窖。 擀蒌姒 址芦r L第十八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年型基本处于弹性工作阶段。当总竖向荷载达到7 7 3 k N ( 荷载设计值) 时，桁架1 支座节点处后浇带混凝土出现细微裂缝：桁架2 下弦杆的钢与混凝土之间出现滑移裂缝。总竖向荷载达到1 0 9 3 k N 时，钢桁架下弦杆各节问发现滑移裂缝；钢桁架上弦开始出滑移裂缝，上弦端部滑移裂缝宽度较大：在桁架1 下弦支座节点处，筒体后浇带混凝土上出现裂缝。荷载达到1 2 9 3 k N 时，在桁架1 两侧混凝土筒体上发现水平弯曲裂缝。试验后裂缝图见图4 图5 。当荷载加载至1 7 6 0 K N ( 2 2
7、8 倍荷载设计值) 时，试验模型达到峰值承载力。本级荷载加载完成后，在持荷期间，在钢桁架转换构件上部的框架柱突然发生脆性破坏，破坏位置分别位于柱中和柱头。见图5 和图6 。图2 施工阶段试验图3 使用阶段试验图4 桁架下弦端都混凝筒体裂缝图5上部框架柱受压破坏霉6 上郄框槊柱顶节点破坏3 单榀桁架试验结果试验中对桁架主要受力杆件的应力和下弦节点位移进行了测试。试验对桁架采取的节点形式以及节点构造的安全性和可行性进行了研究。并使用采用壳元的A N S Y S 模型和采用杆元的S A P 2 0 0 0 模型进行了分析。图7 是桁架下弦节点的位移试验和计算曲线。图8 是两种计算模型在2 0 0 k
8、 N 荷载下跨中位移计算值与试验值的对比。试验结果表明应变测试结果与弹性分析结果吻合较好，模型加工精度较高。并且通过有限元分析，桁架节点的应力集中现象不明显，节点的构造比较合理。1 3 2 第十八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年O童。蔫。2喝_5e| 6 一+ 一试_ 雌r- 一褂科S暴。一甜张O O O 露j jk骝 影蛩甲1 钿 扇盎囊国567位移试验值与计算值对比；裔荷戴( 静O2 5D拦印7 5l J 衢l 船1 7 s 聊：船 隳 i I 一一谢瞪l ：1 I 二：一婴坠| |N 忒jN圈8 上弦跨中力试验值与计算值对比4 整体模型试验位移结果及分析施工阶段桁架下弦端
9、部搁置在混凝土筒体中设置的型钢柱上，设计可以转动、滑动。试验目的之一即是验证桁架端部的约束情况。桁架端部的约束越弱，桁架跨中的受力就越大，而桁架端部筒体的受力就越小。因为钢桁架比混凝土简体的受力性能好，减小混凝土简体的受力是结构设计的一个关键性闯题。4 1 竖向位移表1 给出了桁架l 施工荷载作用( 4 7 2 k N ) 挠度试验值，并针对不同的端部约束条件，采用三种模型的计算值与之对比。下弦简支和下弦铰接计算值相差不大。下弦固接计算结果偏小。比较而畜，下弦简支计算值与试验值符合更好。转换桁架的挠度对比分析表明，下弦边界约束与设计期望接近。表I桁架l 施工葡载挠度诗算值与试验傻对比距支座距挠
10、度计算值( n u n )挠度计算僮，试验值离跨度备注下弦下弦铰接固接试验值下弦简支下弦铰接固( m )简支n H n接O支座o 0 1O 0 1O O l- 0 0 20 5 0O 5 0O 5 01 3 3 51 2 11 1 4O 9一1 2 8O 9 50 8 90 7 02 4 1 51 。8 31 6 91 4 4- 1 8 5O 9 9O 9 l0 7 83 4 9 5跨中2 0 11 8 91 61 9 91 O O0 9 5O 8 04 5 7 51 6 81 5 81 3 61 6 9O 9 9O 9 3O 8 05 6 5 51 0 2 4- 0 9 7O ，7 7国，8
11、 81 1 61 1 00 8 76 7 8 2支座o O l- 0 O l国O l- o 0 30 3 3O 3 3O 3 3使用阶段桁架端部混凝封闭后，桁架上下弦杆端都转动和滑动完全受到约荣，应按固接考虑，桁架与端部混凝土作为一个整体共同承担外部荷载。表2 给出了桁架l 在荷载设计值作用下下弦节点挠度试验值，并采用二种模型( 考虑上弦杆组合作用、不考虑上弦杆组合作用) 的计算值与之对比。从中可以发现，考虑组合作用的有限元模型的计算值与1 3 3 第十八届全闺高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年试验值符合较好。表2 桁架l 荷载设诗值作用挠度计算值与试验值对比距一侧挠度计算值( m m
12、 )挠度试验值，计算值支座距备注不考虑组合作试验值不考虑组合考虑组合作离0用考虑组合作用 n n作用用1 3 3 5O- 1 4 11 3 31 4 7O 9 lO 9 62 4 1 512 2 42 1 22 1 9O 8 30 8 73 4 9 5跨中2 5 2- 2 4 02 3 80 7 9O 8 34 5 7 532 1 72 0 51 9 2O 7 80 8 25 6 5 59- 1 2 31 1 61 0 5O 7 20 7 6桁架端部和楼板跨中后浇带封闭以后，结构作为整体承受后期增加的荷载，因此刚度会增加。圈9 和图1 0 给出了施工阶段至使用阶段试验全过程孵荷载位移曲线。试验
13、表明，在后浇带封闭以后，结构刚度有一定增加，但随着荷载继续增加，结构刚度又有所降低，下降幅度很小。0 瑚椭蛳m 嘣I i 枷I 枷l 釉哪2 0 0 0 靓a 呻 图9桁架I 跨中的荷载一位移曲线童 妻O 抽柚椭枷舯啪l 蛳舯I 啪撇 黼日圈l O桁架2 跨中的祷载一位移曲线4 2 水平位移试验中在桁架上下弦杆端部布置了位移计，测试桁架是否符合下弦筒支的边界条件。试验所测试的位移大致在0 2 r a m 左右，与计算值基本吻合。试验表明施工阶段下弦在荷载作用下产生了滑动，达到设计预期霉的。4 3 施工阶段侧向位移试验测试了桁架上下弦的平面外相对侧移。试验结果表明，在施工荷载下，侧移相对 不大，
14、最大相对侧移位于中间支座之间，为O 4 l 鼬，为高度的1 2 6 0 2 ：在使用荷载下，由于楼板后浇带封闭，刚度增加，侧移增量较小，最大侧移0 4 9 m m ，试验加载到最大荷载，侧移几乎未增加。试验表明，在桁架安装就位，浇注面层以后的施工和使用阶段，结构侧向稳定问题可以满足要求。4 4 相对滑移试验后桁架下弦滑移裂缝较多，下弦各跨均有发现。上弦除端部外，滑移裂缝较少1 3 4 第十八届全国高层建筑结构学术会议论文2 0 0 4 年在试验过程中，滑移裂缝宽度发展较慢。试验测试了桁架1 上弦51 io o s个节点处的相对滑移值，见图釜。l l 。试验测得的相对滑移值较薹吨。小，且随荷载变
15、化趋势不明显，。说明在该处栓钉承受剪力较。小，变形也较小。0 51 01 S2 02 53 03 S4 04 5S 0SS6 0 雁支座鼯离( )图l l 桁架l 上弦在各级荷载下的滑移曲线曲线5 整体模型桁架应变试验结果及分析5 1 应变对于简支的桁架，其弦杆受力类似简支梁，跨中弦杆轴力较大，端部弦杆轴力较小。本工程桁架端部的边晃条件介于简支与固接之间，目前设计所使用的计算模型难以反映结构的这一特点，因此有必要通过试验分析转换钢桁架桁架的受力特点。在施工荷载作用下，桁架弦杆整体应力水平较低，其中跨中弦杆应力较大，桁架1 最大应力为4 2 M P a ，桁架2 为5 1 M P a 。在施工荷载下，最大拉应变和最大压应变均出现在支座腹杆，桁架l 和桁架2 的最大应力分别为7 0 M P a 和8 8 5 M P a ，桁架中部腹杆所承受的剪力较小，因此其受力也较小。在荷载设计值作用下，两榀桁架应力比较接近，桁架2 应力稍大。弦杆中应力较大的跨中弦杆和腹杆中应力较大的支座腹杆，在荷载设计值和破坏前一级荷载下的应力分别为 6 2 M P a 和1 4 8 1 V l P a ，1 0 7 脚a 和2 2 5 M P a 。弦杆应力应变发
