交错桁架钢结构体系楼板抗剪滞回性能的试验研究

交错桁架钢结构体系楼板抗剪滞回性能的试验研究

辛占德

中国恩菲工程技术有限公司北京100038

摘要：为了更好的研究交错桁架楼板的抗剪滞回性能，拟对其进行试验研究。根据有限元分析结果，设计相似比为1：3的试验模型，以此作为交错桁架楼板体系伪静力试验方案的设计依据，对试验模型，测点布置，加载方案进行设计。试验研究包括混凝土楼板在横向循环荷载作用下的抗剪性能、破坏机理及抗剪件的受力。

关键词：交错桁架，楼板，有限元分析，荷载试验

引言

交错桁架体系是适用于旅馆和住宅等多高层房屋的一种钢结构体系。该体系的主要特点是整层高的桁架直接与两侧外柱相连，并在各楼层平面上交错布置，这样，纵向就形成了两开间宽的无内柱楼层空间，便于建筑室内灵活布置，适用于平面为矩形或由矩形组成的多高层钢结构建筑。

交错桁架的楼盖体系可以采用的形式有：压型钢板组合楼盖、混凝土现浇板、混凝土预制板等，楼盖体系不仅要承担竖向荷载，还要承担横向剪力并将剪力在楼层处进行重分布，因此交错桁架的楼盖体系在设计时应主要考虑楼板作为传递剪力隔板的承载力和刚度以及承受竖向荷载的能力，到目前为止设计上均采用近似的计算方法，楼盖作无限刚度假定。但实际上刚性假定是近似的。采用刚性假定可能过高地估计了各榀桁架间的协同作用和整个体系的刚度，是不安全的，为此，课题组将对交错桁架现浇混凝土楼板进行缩尺模型试验，研究现浇混凝土楼板在循环荷载作用下的抗剪性能和破坏机理。

1试验模型的设计

1.1交错桁架体系原形

为了对交错桁架体系楼板抗剪的实际性能进行评价，首先，按照实际工程要求进行结构计算和设计，给出设计算例：住宅楼18层，层高3m，楼面活荷载2kN/m2，屋面活荷载1.52kN/m2，建筑长54m，宽14.4m，高54m，场地土类别Ⅲ类。基本风压0.35kPa，地面粗糙度为B类，基本雪压0.25kPa，不考虑积灰荷载，抗震设防烈度8度（0.2g），主体构件钢材选用Q345B。

1.2试验模型确定

由于本次试验的主要目的是研究交错桁架混凝土楼板的抗剪滞回性能及其破坏机理，所以试验的最终结果应保证混凝土楼板要先于钢桁架破坏，因此在试验模型设计上适当加大了钢桁架的截面尺寸。

2加载方案

试验的加载由竖向荷载和横向荷载两部分组成。

2.1竖向荷载的施加

楼面竖向荷载通过重力直接加载的方式完成，使用沙袋一次均匀地施加在楼板上，沙袋堆放方法根据其重量确定。为了实现1：1的应力比，施加的面荷载要满足1：1。模拟地震作用下的楼面重力荷载代表值，即：1.0恒荷载+0.5活荷载=1.0X（25X0.15+1.25）+0.5X2=6kN/m2，除去60mm厚楼板自重1.5kN/m2，楼板尚应堆载4.5kN/m2。

2.2水平荷载的施加

竖向荷载施加完毕后，再通过电液伺服作动器在中间柱顶端为试件施加水平循环荷载，。加载方式为混合式加载：试件屈服前各柱柱顶以荷载控制，分五级加载，每级循环1周，根据有限元分析结果，作动器施加荷载的大小分别为：50kN，100kN，150kN，200kN，250kN；试件屈服后，加载过程用试件的顶端位移控制，位移步长为5mm，每级循环3周，直至试件破坏。试件在正式试验之前要进行两次预加反复荷载，大小约为试件屈服荷载的30%，约为75kN，用来检查试验装置以及量测设备工作是否正常。

3试验现象分析

整个试验过程中，楼板在竖向恒定荷载和水平低周反复荷载的作用下，共经历了29次反复循环荷载，但由于准备和经验不足等原因，当加载至82吨左右，上层桁架加载点附近的上弦杆破坏，试验被迫停止。

如果忽略板的平面外失稳情况，楼板水平向的抗剪可以看成受弯构件斜截面抗剪。无腹筋梁的剪切破坏模态主要受剪跨比的影响，有斜压破坏、斜拉破坏和剪压破坏三种破坏形式。本次试验楼板的前期破坏模式与斜压破坏的破坏形态基本吻合，并且楼板的剪跨比λ=0.375＜1，也属于斜压破坏范围。虽然本次试验没有看到楼板的最终破坏形态，但由裂缝在弹塑性阶段的发展情况可以推断出楼板的最终破坏形态应该与梁斜截面剪切破坏的斜压破坏模式相同，即在加载点与支撑桁架的远端形成对角斜裂缝，

4试验数据分析

4.1试验滞回曲线分析

结构的滞回曲线基本上呈弓形，显示出试件有一定的滑移产生，也反映出交错桁架现浇混凝土楼板具有良好的滞回耗能能力，该曲线具有较好的饱满度，在屈服之前，结构总体变形很小，加载曲线斜率变化小，卸载后的残余应变也非常小，正向和反向加卸载一次所形成的滞回环不明显。在整体屈服之后，随着反复荷载的逐级增大，结构变形一步步加大，但变形速度增长缓慢每一级加载过程中，曲线斜率随着荷载的增大而减小，而且减小的速度加快。比较各次同向加载曲线，后一次的曲线斜率比前一次的曲线斜率有较明显的减小，说明结构的刚度在不断退化。同时比较同级位移下的反复循环的三次，每一次循环，承载能力均有所下降，说明桁架结构发生了强度退化现象。

4.2楼板剪切变形分析

剪切变形的测量方法根据百分表所记录的数据值，分别分析楼板整体的剪切变形和楼板四个角部的剪切变形。

4.3楼板整体剪切变形

楼板在循环荷载作用下，假定沿跨度方向无变形，由此可以看出，楼板在循环荷载作用下，两边的变形量很小，中间加载桁架的变形量相对很大，并且随荷载推拉的变化，变形量呈现一边伸长、另一边缩短的规律，楼板表现出典型的剪切变形模式。

5结论

通过理论及试验分析，得出以下结论：

1）楼板在低周反复水平荷载下，承载力较高，在截面无较大削弱的情况下，可以按照刚性隔板进行设计与分析。楼板的最终破坏形态可能与梁斜截面剪切破坏的斜压破坏模式相同，即在加载点与支撑桁架的远端形成对角斜裂缝。

2）交错桁架体系在水平荷载作用下柱子只承担很小的剪力，绝大部分剪力由楼板传递至相邻的桁架，依次类推，最终由底层柱或底层桁架传递至基础。

3）楼板在整体上呈现出剪切变形的特征，但在楼板角部沿跨度方向的两个剪切变形随荷载呈正、负两个反方向剪切变形，由此推断楼板在传递剪力过程中可能是弯剪变形模式，但剪切变形占主要部分。

参考文献

[1]许红胜，周绪红等，交错桁架结构体系设计要点。建筑结构，2004（5）

[2]姚谦峰，陈平等，土木工程结构试验。北京：中国建筑工程出版社，2001.7