交错桁架结构是一种新型的结构体系,一般是由横向平面桁架、纵向框架、楼板组成的整体结构;其中桁架的高度与楼层高度相同,长度(跨度)与房屋横向结构宽度相同,支承于外围框架柱上并沿高度方向的上下层交错布置。这种结构具有跨度大、使用功能好、用钢量低、装配式效率高等特点,完全符合我国当前的新型建筑工业化发展要求,在多高层的学校、医院、公寓、办公楼、酒店和大户型住宅中都具有广泛的应用前景。我国是世界上最早对交错桁架结构体系进行系统研究的国家之一,目前已经在力学性能、设计理论、技术标准和工程应用方面取得了完整的成果。目前,随着研究的深入及工程应用的日益广泛,交错桁架结构技术也得到了进一步的创新发展,由以往的纯钢结构体系逐渐发展为由钢桁架、钢板剪力墙、钢柱、钢管混凝土柱、预制混凝土柱、预制预应力混凝土空心板/ 叠合板等多种构件组成的装配式混合结构。为展现我国交错桁架结构体系方面的最新研究和工程实践成果,本期刊登两边连接钢板式交错桁架的抗震性能与设计方法等系列专题论文,希望通过本期专题论文的发表,向广大工程师及科研人员介绍交错桁架结构体系的研究和实践进展,进一步推动这种新型结构体系在我国装配式建筑领域的发展。

专刊主编

刘界鹏

教授博士生导师

《钢结构（中英文）》编委会 委员

男，工学博士，教授，博士生导师，长江学者特聘教授，国家自然科学基金优秀青年基金获得者，国家一级注册结构工程师。重庆大学钢结构工程研究中心副主任，建筑智能建造实验室主任。兼任中国钢结构协会常务理事，中国钢结构协会钢-混凝土组合结构分会副理事长，重庆市钢结构建筑专业委员会主任委员，中国建筑学会建筑防火专业委员会理事。长期从事高层钢-混凝土混合结构、装配式混合结构、建筑智能建造等方面的研究工作和技术推广。获得国家科学技术进步一等奖1项，省部级科技进步一等奖5项，授权国家发明专利20余项，获得软件著作权2项。主编行业标准1项、协会标准4项；参编国家及行业标准等10余项。出版学术专著1部，发表学术论文120余篇，其中英文SCI论文80余篇，中文权威期刊30余篇。研究成果在30余项重点或示范工程中得到应用。

交错桁架结构体系最早于20世纪60年代出现于美国，并得到了广泛应用，具有开间大、结构质量轻、施工便捷、经济、高效、环保等优势。典型的交错桁架结构体系主要包括柱、楼板、平面桁架等构件，如图1所示。该结构体系中柱可采用H型钢柱、钢管柱、钢管混凝土柱等，楼板可以采用空心楼板、叠合楼板、现浇钢筋混凝土楼板等，桁架可以采用空腹式桁架、帕式桁架或混合式桁架。

图1 交错桁架结构体系示意(混合式桁架)

国内外学者对交错桁架结构体系中的桁架及结构体系抗震性能进行了大量的试验研究和理论分析。对于交错桁架结构体系中柱-桁架节点，目前也有学者做了一些较为初步的研究。苏明周等按照实际受力和等强原则设计了2种不同套筒节点形式的1/2缩尺方钢管混凝土柱-交错桁架试件，并对其进行了竖向静力荷载作用下的受力性能试验研究与分析，结果表明：按等强设计节点相较于按实际受力设计节点具有更大的刚度及承载力；减小轴压比或提高混凝土强度仅能较小程度地提高结构竖向承载力。卢林枫等结合国内外相关研究以及我国的习惯做法，对钢结构交错桁架结构体系中的桁架选型及节点构造进行了探讨研究，给出了节点构造图以及工程设计要点建议。李启才等主要研究了柱-桁架节点的设计方法。宋小武等对新提出的多种新型桁架与柱连接节点形式进行了试验研究与分析，结果表明：按等强设计的节点相比于按实际荷载设计的节点具有更高的屈服荷载和极限荷载，但延性更低；节点的设计方法对半刚性连接试件节点受力性能影响较小。

交错桁架结构质量轻，整体受力性能好，因此柱内力一般较小，采用钢柱时设计控制条件通常为长细比。为充分利用柱的力学性能，中建科技有限公司设计开发了采用预制钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)柱的装配式交错桁架结构，重庆大学对该结构体系进行了静力弹塑性分析，以评估其抗震性能。项目位于广东省汕尾市，如图2所示。以往对交错桁架结构体系节点的研究，主要针对钢或CFT柱-桁架节点。本文针对该结构体系中所涉及的典型RC柱-桁架节点，进行了多种工况下的受力性能分析，以揭示节点传力机理、验证是否满足“强节点，弱构件”的抗震设计要求，并提出设计建议。

图2 装配式RC柱-交错桁架结构施工现场

1 工程概况

该项目采用了装配式RC柱、钢桁架和预应力混凝土叠合楼板。所用工程材料强度为：混凝土C60，钢材Q345，钢筋HRB400。首层高4.2 m，标准层高3.3 m，共9层，建筑高度30.6 m，沿结构纵向共9条轴线，轴向间距为6.6 m，横向轴线间距为15.1 m。桁架沿纵轴交错布置，沿横轴左右对称，具体构造如图3所示。

1—牛腿加预埋板式节点；2—方钢管□180×150×10×10(高×宽×腹板厚×翼缘厚)；3—H型钢H300×200×13×16(高×宽×腹板厚×翼缘厚)；4—H型钢H300×250×11×14；5—方钢管□180×180×10×10；6—方钢管□220×200×14×12；7—RC柱600×600。图3 桁架构造示意

本文主要针对RC柱与上弦杆和斜腹杆的连接节点进行研究，该节点为牛腿加预埋板式节点，详细信息如图4所示。

1—RC柱600×600；2—预埋板(t=20 mm)，1525穿孔塞焊；3—9M27摩擦型高强螺栓；4—连接板(t=20 mm)；5—封板(t=12 mm)；6—竖向加劲肋；7—上弦杆，H型钢H300×200×13×16；8—节点板(t=20 mm)；9—斜腹杆，方钢管□220×200×14×12；10—C30细石膨胀混凝土；11—424内置锚筋。

图4 RC柱-桁架节点示意

2 工况选择

本次选取5种工况对交错桁架节点进行分析，如表1所示。5种工况可以分为3组：1)柱子轴压比取为0.7，不限制弦杆水平位移，对斜腹杆分别施加拉力或压力；2)柱子轴压比取为0.7，限制弦杆水平位移，对斜腹杆分别施加拉力或压力；3)柱子轴压比取为0，对斜腹杆和弦杆同时施加拉力。5种工况均为结构分析中出现的不利工况，工况1～工况4为轴压力较大的情况，此时斜腹杆可能处于拉或压两种状态。当楼板与弦杆协调工作时，弦杆侧移较小，本文将其定义为不释放弦杆水平位移的工况，当协同作用较差时，释放模型中弦杆水平位移。工况5为轴压力较小的情况，此时弦杆和斜腹杆同时受拉，对节点受力最不利。

表1 工况参数

注：表中工况名称命名规则为：数字0.7和0代表轴压比；C/T代表斜腹杆受力模式为受压/受拉；R/U代表弦杆位移释放/不释放。

3 有限元模型建立

基于ABAQUS有限元软件，建立了RC柱-桁架节点的实体有限元模型，如图5所示。需要注意的是，模型中柱子分别向上弦杆顶部和牛腿底部延伸1倍柱宽，此时可忽略柱端附加弯矩的影响，斜腹杆按实际长度建模以考虑受压时斜腹杆的稳定性能。

a—施工现场；b—ABAQUS有限元模型。图5 RC柱-桁架节点

3.1 单元选取

混凝土采用8结点缩减积分格式的三维实体单元C3D8R进行模拟；钢材采用4结点缩减积分薄壳单元S4R进行模拟；钢筋采用T3D2 Truss单元进行模拟。本次分析时牛腿中的锚筋采用壳单元进行模拟以简化分析过程。

3.2 材料特性

混凝土采用GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》提出的受拉与受压混凝土本构模型，混凝土泊松比取为0.2，膨胀角取为38°，偏心率为0.1，系数K为0.667，双轴与单轴抗压强度比值为1.16，黏性参数为0.0005。钢板和钢筋均采用钟善桐提出的五阶段应力-应变模型，图6所示为钢材的应力-应变曲线，虚线为真实应力-应变曲线，实线为模型简化的应力-应变曲线，fp、fy、fu分别为钢材的比例极限、屈服强度和极限强度，钢材应力-应变曲线数学表达式如式(1)所示。

图6 钢材应力-应变关系曲线

式中：σs和εs分别表示钢材应力和应变；Es为弹性模量；εp为对应于应力fp时的应变。

3.3 界面关系

本文将钢筋和节点板埋入混凝土柱中，牛腿混凝土与牛腿上钢板采用面-面接触，法向接触采用“硬接触”，切线方向接触采用罚函数进行模拟，摩擦系数取为0.3。

3.4 边界条件

混凝土柱底与柱顶均采用铰接，仅当需要施加轴向荷载时，释放柱顶竖向位移；弦杆限制其平面外的移动和转动、竖向移动和沿水平轴的转动；斜腹杆限制移动和转动，仅释放其沿节点方向的位移。本文以0.7-C-R为例对边界条件进行说明，上下柱端设置为铰接，释放上端竖向位移，弦杆端部采用铰接，并释放其水平位移，斜腹杆建立局部坐标系，沿节点方向进行位移加载。

4 计算结果分析

基于建立的有限元模型，提取了各个工况下模型的应力云图、斜腹杆荷载-位移曲线以及弦杆截面内力进行分析。

4.1 应力云图

各工况下峰值荷载时应力云图如图7所示，钢材屈服顺序如表2所示。结果表明：杆件内力可通过节点板传递至牛腿或预埋钢板，再通过锚杆传递至柱内，传力路径明确，节点设计合理；各类杆件均先于节点区钢筋屈服，满足“强节点、弱构件”的设计要求；不释放弦杆水平位移的工况中弦杆和斜腹杆强度利用更充分，柱中钢筋应力发展程度较释放弦杆水平位移的工况弱。

a—0.7-C-R;b—0.7-T-R;c—0.7-C-U;d—0.7-T-U;e—0-T。注：1～5为各构件钢材屈服顺序。图7 峰值荷载应力云图 Pa

表2 钢材屈服顺序

4.2 斜腹杆荷载-位移曲线

斜腹杆荷载(Nd)-位移(Δd)关系曲线如图8所示。图中黑色方形点代表弦杆、斜腹杆、节点板等钢材首次出现屈服的点，黑色三角形点代表钢筋的屈服点。如图8a和8b所示，不释放弦杆水平位移时承载力和位移均更大，主要是由于此时弦杆和斜腹杆强度利用更为充分，柱中钢筋应力发挥程度不高，因此承载能力和变形能力均有所增强。轴压比为0的工况中，Nd随Δd近似线性增大，当Δd超过5 mm时，节点区域塑性变形逐渐增长，Nd随Δd增长速率减慢。

a—0.7-C-R/U;b—0.7-T-R/U;c—0-T。图8 斜腹杆荷载-位移关系曲线

4.3 杆件截面内力

表3中所示为峰值荷载时弦杆和斜腹杆截面内力，其中Nc、Mc和Vc分别为弦杆的轴力、弯矩和剪力。需要注意的是,弦杆提取内力的截面位于节点板以外以消除节点板对弦杆内力影响。轴力以杆件受拉为正，弯矩以截面下侧受拉为正，剪力以使构件顺时针旋转为正。如表3所示，除0-T工况的Vc外，其他工况的Mc和Vc均较小；限制弦杆水平位移的工况(0.7-C/T-U)中Nc明显大于释放弦杆水平位移的工况(0.7-C/T-R)，Nd提高约10%。

表3 杆件截面内力

本文基于ABAQUS有限元软件，研究了RC柱-交错桁架结构体系中出现的新型RC柱-桁架节点(牛腿加预埋板式节点)在5种最不利工况下的抗震性能，提取了应力云图、斜腹杆荷载-位移曲线以及弦杆截面内力进行分析。主要结论如下：

1)杆件内力通过节点板、牛腿/预埋钢板、锚杆传递到柱内，节点设计合理，传力路径清楚明确。

2)在以上分析工况中，杆件均先于节点区钢筋屈服，满足“强节点，弱构件”的设计要求。

3)由于牛腿造成的柱偏心效应，建议适当增加钢筋混凝土柱的纵筋配筋率，以提高其安全储备。

中英文全文下载链接

1.http://gjg.ic-mag.com/cn/article/doi/10.13206/j.gjgSE20042001（注册登录免费获取）

2.https://navi.cnki.net/knavi/JournalDetail?pcode=CJFD&pykm=GJIG

3.https://cstm.cnki.net/stmt/TitleBrowse/KnowledgeNet/GJIG202011003?db=STMJTEMP

作者简介

刘界鹏

教授博士生导师

《钢结构（中英文）》编委会 委员

男，工学博士，教授，博士生导师，长江学者特聘教授，国家自然科学基金优秀青年基金获得者，国家一级注册结构工程师。重庆大学钢结构工程研究中心副主任，建筑智能建造实验室主任。兼任中国钢结构协会常务理事，中国钢结构协会钢-混凝土组合结构分会副理事长，重庆市钢结构建筑专业委员会主任委员，中国建筑学会建筑防火专业委员会理事。长期从事高层钢-混凝土混合结构、装配式混合结构、建筑智能建造等方面的研究工作和技术推广。获得国家科学技术进步一等奖1项，省部级科技进步一等奖5项，授权国家发明专利20余项，获得软件著作权2项。主编行业标准1项、协会标准4项；参编国家及行业标准等10余项。出版学术专著1部，发表学术论文120余篇，其中英文SCI论文80余篇，中文权威期刊30余篇。研究成果在30余项重点或示范工程中得到应用。

周 祥

本硕就读于重庆大学土木工程学院，现于中国建筑西南设计研究院有限公司从事结构设计工作。硕士期间主要研究内容为通过对钢管混凝土异性柱框架结构体系进行弹塑性时程分析与增量动力时程分析，对该类结构体系的抗震性能及抗倒塌能力进行相应的评估。

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融媒体编辑：张白雪

责任编编：乔亚玲

关于期刊

中冶建筑研究总院有限公司和中国钢结构协会联合主办、《工业建筑》杂志社有限公司编辑出版的中文科技期刊《钢结构》Steel Construction，于1986年创刊，2019年为促进国际学术交流，并兼顾对内传播，满足国内外读者需要，经国家新闻出版署批准，期刊文种变更为中英文双语出版，同时更名为《钢结构（中英文）》Steel Construction（Chinese & English）/ISSN 2096-6865/CN 10-1609/TF，自2020年1月全面改版发行。

期刊报道方向包括：高性能钢材，空间钢结构，高层钢结构，预应力钢结构，钢-混凝土组合结构，轻型钢结构，住宅钢结构，桥梁钢结构，特种钢结构及装配式钢结构建筑等。今后将持续关注国际学术热点，深入思考未来发展方向，报导具有高学术水平和应用价值的科研成果。

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