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贵州大学硕士学位论文轻钢框―桁架组合结构的研究及在加层建筑中的应用 1 轻钢框―桁架组合结构的研究及在加层建筑中的应用摘要轻钢框―桁架组合结构是基于普通钢框架结构,将框架中的次梁换成组合桁架而形成的一种新型结构体系。组合桁架使得该结构具有较好的竖向刚度,能较好的承受竖向荷载;框架梁与框架柱组成的框架体系能很好的抵抗水平荷载。因此,轻钢框-桁架组合结构是一种优良的结构形式。轻钢框-桁架组合结构的衍生图见图 1。将该结构形式应用于建筑加层当中,相较于其他加层形式,具有较为明显的优势。图1 钢框- 桁架组合结构的衍生图与普通的组合梁相比,组合桁架有以下优点: 框架梁框架柱次梁换成桁架钢框架结构钢框―桁架结构框架梁框架柱桁架次梁贵州大学硕士学位论文轻钢框―桁架组合结构的研究及在加层建筑中的应用 2 ,从而使板的计算跨度减小,可以进一步减小板的厚度,减小结构自重,同时减轻了地震的作用,降低基础造价(尤其是对于软土地基),与普通组合梁相比组合桁架可节约钢材达 20%左右。 ,比普通组合梁获得更大的整体抗弯刚度,特别适用于大跨度多层建筑、大型公共建筑和工业厂房,可以增大楼板的跨度,加大柱网间距,可以满足现代多高层建筑的大空间、大跨度的使用要求。 ,还可以利用钢桁架的空腹部分铺设水、电、暖以及通讯等管道设施,从而可以在不增加层高的情况下,增加有效使用空间,节约层高,降低房屋总造价。另外,组合桁架同纯钢桁架相比,具有以下优势: ,节约钢材,还可以增加构件和整体结构的延性; 2. 由于桁架上弦设有连接件把钢桁架和混凝土翼板连接起来,二者协同工作,因此,上弦杆不存在失稳问题,减少了上弦支撑,增加了结构的整体稳定性和整体刚度。本文主要是借助的研究内容主要有以下几方面: 1. 组合桁架的静力特性借助于有限元数值计算手段,对组合桁架的力学性能进行分析。采用不同的单元建立有限元模型,应用有限元分析软件 ANSYS 对组合桁架空间模型作数值模拟分析,通过调整参数,得到组合桁架的力学特性。图2为组合桁架的示意图及有限元模型: 图2组合桁架示意图腹杆下弦上弦下弦腹杆混凝土板栓钉连接件混凝土板上弦栓钉贵州大学硕士学位论文轻钢框―桁架组合结构的研究及在加层建筑中的应用 3 组合桁架有限元模型图2组合桁架示意图及有限元模型对组合桁架的静力特性进行分析,阐述了组合桁架的构造处理措施和影响组合桁架结构刚度因素,具体有: ,桁架上弦、下弦与腹杆的连接采用相贯连接。组合桁架突出了钢桁架与混凝土板的“组合”作用,而组合作用主要体现在钢桁架上弦与混凝土的连接上,即剪力连接件的构造。文中提出了几种常用且可靠的剪力连接件。另外,为保证结构的刚度和稳定性,以及考虑到方钢管的成型工艺和规格,提出了截面尺寸的取值范围。 ,由结果可知,考虑混凝土板共同工作的组合桁架与同等参数的普通钢桁架相比,上、下弦杆与腹杆的受力明显得到改善。在相同荷载作用下,跨中挠度相差约 12%,且上弦轴压力很小,不必再附加侧向支撑。 ,但二者并不是成线性增长,而是趋向于某个值,此时弦杆的拉应力远未达到容许应力,即并非桁架高度越大越好。通过改变腹杆截面积来了解组合桁架的力学性能,发现桁架高度与刚度之所以不成正比,是因腹杆本身的压缩变形,及腹杆的局部稳定所致。据此给出组合桁架的合理、经济的高跨比为 1/20 ~ 1/12 。 ,结果表明:因中和轴偏向于上弦与混凝土板的组合截面,因此改变下弦截面积能有效改变结构的惯性矩,进而影响结构的整体刚度。 ,结果表明:改变混凝土板厚度贵州大学硕士学位论文轻钢框―桁架组合结构的研究及在加层建筑中的应用 4 就改变了组合截面的截面积,能够改变组合桁架整体的刚度。在荷载一定的情况下,如不考虑增加的附加自重,增加板厚,跨中挠度基本成线性减小,但是由于增大混凝土厚度会直接导致结构的恒荷载增大,同时增大结构的自重,进而增大地震效应,应慎用。 2. 轻钢框- 桁架组合结构的静力特性在对组合桁架研究的基础上,通过对不同跨度(12m 、15m 、18m 等) 的框―桁架组合楼盖进行计算,建立钢框―桁架组合楼盖模型,对结构整体进行有限元分析,并讨论跨度、桁架高度、混凝土板厚及桁架间距等不同因素变化对结构的影响,给出了楼盖在各种跨度下的挠度、钢桁架内力、梁弯曲应力等技术经济指标,以期获得可用于工程实践的参考数据。桁架间距取 ,桁架高度取跨度的 1/15 ,即针对三种跨度分别取 、 m