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“虚怀若谷”的空腹桁架 广东bodog公司bodogbodog亚洲 bodog13925156722
post time:2021-04-13

“虚怀若谷”的空腹桁架

一、空腹桁架的前世

Arthur Vierendeel 亚瑟·维伦德尔(1852-1940)生于比利时鲁汶,大学教授,土木工程师。他开发的vierendeelbodog是以他的名字命名的。因此空腹桁架的学名又叫Vierendeel truss.他的著作《Coursde stabilitédes constructions》(1889)是半个多世纪以来的一个重要参考文献。

桁架已经存在很长一段时间了,这一点可以从桁架在古代bodog中的使用来证明。人们发现三角形在bodog设计中的重要性,当分析三角形桁架时,你可以假设接头是销接的,并且接头处没有弯矩。接头处的力和力矩之和等于零。比利时工程师Arthur Vierendeel1896年开发了一种桁架,其型式不是三角形的,而是形成矩形开口,是一种具有固定接头的框架,能够传递和抵抗弯矩。Vierendel在其1899年的美国专利中所描述的定义是一种梁,“其中对角线被移除,垂直构件通过圆形件与吊杆刚性连接,这样吊杆和垂直构件实际上形成一个整体。”后人就以Vierendeel命名这种bodog形式。

这种类型的桁架最开始用于一些桥梁,后来也用于建筑包括高层建筑的框架。通过消除对角构件,消除了对门窗矩形洞口的影响。

二、空腹桁架受力原理

1、空腹桁架的刚度主要靠节点刚度,它和传统三角桁架相比,主要受力、变形特点如下
1)轴力

为了保持力矩平衡,根据扑克法,我们知道桁架型式虽有不同,若桁架高度一致,则桁架上下弦杆轴力保持不变。

2)剪力和弯矩

空腹桁架腹杆和弦杆刚接,通常反弯点在杆件中间,可以采用弯矩分配法进行求解。邻近支座处的上下弦杆、腹杆存在较大弯矩和剪力,而三角桁架并不存在附加的弯矩和剪力。

3)变形

三角桁架构件中只有轴向拉压变形,整体变形比空腹桁架要小的多,换言之,在满足同等变形的前提下,三角桁架更有效,也更节省材料。

三、空腹桁架的进化

奥雅纳院士Ceicel Balmond 曾在他的论文《Span》对空腹桁架有了更深解读,在论文中他认为:

1)均等间隔的”柱子“并不是最佳方式。

2)通常支撑处附近”柱“承受最大的荷载,需要更多材料。

3)在支撑处加密支撑点,缩小”柱“间隔可以更有效。

4)在支撑处附近,可以用墙体把设置过近的“柱”连接起来,是另外一种有效方式。

5)在支撑处采用粗“柱”/实墙,在跨中附近采用较细的“柱”。

6)虽然粗大的“柱”和斜撑会大大折损空腹概念的纯粹性,但是在端部加入斜撑可以集中解决支撑问题。

7)探索空腹桁架的布置,增加/改变“柱”的刚度,产生无穷无尽的设计方案,这种探索可以成为一种对材料和美学的处理。

四、空腹桁架设计注意事项

1、空腹桁架应注意施工工况模拟,即空腹桁架形成前临时支撑是不可拆除。计算分析应考虑一次性加载模式。

2、空腹桁架/框架,由于采用刚接节点,对沉降/变形较敏感,支座的变形,甚至可以引起空腹框架内力方向改变。例如下图中核心筒长期收缩效应,构件内力发生改变

3、空腹桁架(框架)整体刚度要弱于传统三角桁架,对楼板振动会比较敏感,需要注意复核楼板舒适度是否满足要求,甚至要考虑人群激励荷载。

4、空腹桁架(框架)传力路径少,冗余度较低,对于大悬挑、具有转换功能的空腹bodog,需要复核bodog抗连续倒塌能力。

5、空腹桁架(框架)竖杆与弦杆应设计成刚接节点(节点也可以采用加腋加强)

五、案例介绍

空腹桁架由于所需的材料比桁架多,出于效率的考虑,它并未普及,在以往并未引起建筑师的注意。但是在建筑处理空间、满足通透的视野,以及配合机电专业的管线布置等方面,它越来越具有优势。

1、德国法兰克福商业银行

1)中文概况

建筑师Norman Foster &Partners,bodog工程师 Arup,此外Arup还负责这个中文的岩土工程、风工程、交通、消防专业。

此大厦为德国商业银行的总部,高260米,共56层采用先进的组合bodog建造。带天窗的中庭和螺旋而上的"空中花园"成为该建筑的一大特色。每12层为一"组",其中上面8层为办公室,下面4层为花园(见图45)。90年代诺曼福斯特就把共享空间融入绿色环保办公建筑设计中,鼓励不同部门人之间进行互动交流。一个中央中庭,该中庭延伸了整个建筑的高度,以提供自然光和交叉通风。

2)bodog方案

为配合建筑概念设想,实现不同立面上的空中花园功能,bodog利用角部三个筒体bodog,采用空腹框架的bodog体系,将8层重力荷载传递到角部筒体。相同的空腹框架bodog设定为一组预制构件,完成一层楼的施工仅需三天半的时间。服务设施平均分布在位于大楼角部的3个核心之间,这种核心配置大大减少了风荷载。

3)收缩徐变对空腹框架的影响

空腹框架的端部由于支撑主核心柱的轴向缩短而挤压,主核心柱在压缩过程中承受很大压缩应力(图16)。当核心柱上升到空腹框架以上并承受其以上楼层的荷载时,这种情况逐渐增加。同时现浇混凝土核心柱的收缩和徐变增加了这种影响,在塔的底部尤为显著。在这些局部高应力位置,提供STE460级钢,以在不改变尺寸的情况下提供更高的强度,这将产生额外的刚度并吸引额外的力。

4)制作与安装

由于承受重力荷载基本一致,这意味着八层空腹框架具有相似的内力,可以由相同的标准件制成几何上相同的bodog。与传统高层bodog扑克下大上小相比,构件更简单、标准。施工中采用十字型构件工厂焊接,以适应运输和现场组装。现场接头位于最小弯矩处。批量生产的建筑构件套件,实现了最大的场外生产和最小化的现场劳动力。

2、杭州大运河博物馆

1)中文概况

本中文由设计鸟巢的建筑师赫尔佐格德梅隆事务所设计。浙江省院为设计总包,Arup负责bodog、机电、幕墙、交通、灯光五个专业的方案到初步设计的工作。

3、其他中文的案例简介

此外在杭州英蓝中文中近12m的大悬挑中也采用空腹悬挑桁架,满足建筑立面视野通透的苛刻要求。

四、有关抗震超限的探讨

关于空腹桁架中立柱,是否属于抗震超限不规则的转换bodog:

1、超限判定可以把空腹桁架等同于一般三角桁架。如悬挑空腹桁架其超限项应该参照大悬挑超限问题,而不是竖向构件不连续。

2、空腹框架(多层)涉及到多层竖向力层间分配转移,应按照竖向构件不连续判定超限。

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