【摘要】 钢结构交错桁架体系是一种经济、实用、高效的建筑结构体系，本文对交错桁架的结构特点及其在国内外的应用进行了介绍，对钢结构交错桁架体系在火灾作用下的力学特性进行了初步地探讨，提出了一些钢结构交错桁架体系抗火设计方面有用的建议。
【关键词】 交错桁架；钢结构；结构特点；抗火性能
【中图分类号】 S9012 【文献标识码】 A 【文章编号】 1672-2396[2007] 09-0065-04
Review on the Application and Fire-resistance of the Steel Staggered-truss System
CHEN Changkun, XIAO Rong
(Central South University, Changsha410075 )
Abstract: The steel staggered-truss system is an economical, practical and highly effective structural system. In this paper, the structural characteristics and applications of the staggered-truss system were introduced. And the mechanical properties of the steel staggered-truss system under fire conditions were discussed preliminarily. Some useful suggestions for the fire-resistance design of the system were presented further.
Key Words: staggered-truss system; steel structure; structural characteristic; fire-resistance property
1 前言
钢结构因具有良好的物理力学性能，自重轻，安装简单，施工周期短，抗震性能好和不燃等优点而被广泛应用。但一般钢结构建筑的昂贵造价是制约其应用的一个主要因素。而钢结构交错桁架体系恰能解决以上矛盾，它是一种经济、实用、高效的新型钢结构体系。它是20世纪60年代由美国麻省理工学院的Hansen、Paul等人提出来的，该结构体系的主要特点是其承重桁架在垂直方向上交错跳层布置［1］。麻省理工学院的研究表明，对于多高层旅馆和居住大楼，交错桁架结构的钢材用量比钢框架结构可减少50%，比钢框架——支撑结构可减少40%［2,3］。目前，交错桁架结构体系在国外得到了较多的应用，但在国内的应用较少。国内外针对交错桁架的研究也很有限，且主要集中在对常温下交错桁架结构体系的力学性能的分析上［1－14］，而对交错桁架在火灾作用下响应行为的研究较少。而钢材虽然是非燃烧体，但在高温作用下其承载力和其他力学性能会迅速降低，容易造成结构坍塌。因此，为了减轻结构在火灾中的损坏，减少人员伤亡和财产损失，对交错桁架结构体系的抗火性能进行研究，具有十分重要的理论意义和实用价值。
2 交错桁架结构体系的结构特点
2.1 结构特点
交错桁架结构体系主要由柱子、桁架、楼面板构成。柱子布置在结构的外围，桁架和层高等高，长度与房屋宽度相等，桁架交错跳层布置于柱列之间，楼面板两端搁置在相邻桁架上，其中一端搁置在桁架的上弦，另一端搁置在相邻桁架的下弦（见图1，为清晰起见，楼面板未画出，以虚线表示）。根据桁架腹杆布置的不同，交错桁架结构可分为空腹交错桁架、Pratt桁架和混合交错桁架三大类，通常用到较多的是空腹交错桁架和混合交错桁架两类（见图2）［1］。
图1 交错桁架结构
图2 桁架类型
由于交错桁架的结构特点，其横向刚度较大，侧向位移较小，在侧向荷载作用下，整个结构体系相当于一个悬臂梁，柱子和桁架仅产生较小的局部弯矩，主要承受轴力；在小震作用下，结构处于完全弹性状态，在大震作用下，塑性铰仅出现在桁架单元，结构有良好的抗风性能和抗震性能［1, 4-7］。在竖向荷载作用下，空腹交错桁架的弯矩分布均匀，不会出现弯矩特别大的地方。混和交错桁架在竖向荷载作用下，除了少数杆件外，杆件的弯矩很小，内力以轴力为主［4,8］。
2.2 应用
自被提出以后，钢结构交错桁架体系在美国、澳大利亚、加拿大等国得到了很多应用,建造了很多平面窄长的15-20层的公寓、旅馆和住宅，有时办公楼也采用这种方案。20世纪末随着越来越多旅馆、公寓、宿舍、办公楼甚至医院采用这种新型灵活的结构体系，交错桁架结构体系进入一个复兴阶段，被应用于更多的工程项目中，例如Shangrila Hotel（韩国首尔，48层，2004）、Legacy Tower Apartment Complex（美国埃姆斯，7层，2004）、Adam"s Landing Marriot Hotel（美国哈特福德，20层，2003）、Sierra Point Hotel（美国加利福尼亚，36层，2003）、Clayton Park Apartment（美国怀特普莱恩斯，11层，2002）、The Embassy Suites（美国纽约，14层，2001）, Half-Moon Harbor Condominiums（美国北卑尔根，12层，2001）、Mystic Marriot Hotel& Spa（美国格罗顿，6层，2001）、Baruch College Academic Center（美国曼哈顿，15层，2001）、Aladdin Hotel（美国拉斯维加斯,38层，2000）、Riverview Senior Housing（美国14层，1999）、虹谷旅馆（加拿大卡尔加里，27层）等。
与国外交错桁架体系在多、高层建筑方面的工程应用越来越多的趋势不同，国内该体系的应用相对滞后，仅1999年在新疆库尔勒建造了一幢8层的交错桁架钢结构住宅。这与国内对该结构的普及认识不足以及交错桁架建筑设计理论、防火指导技术等尚未成熟有关，因此有必要完善其研究。在此基础上建立系统科学的设计指导细则，为工程应用奠定坚实而实用的理论基础。而结构防火是其中重要的一个方面。
3 交错桁架体系在火灾作用下的力学特性
3.1 火灾下的力学特点
目前，国内外学者对常温下交错桁架结构体系在竖向荷载侧向荷载作用下的力学特性以及交错桁架局部构件的性能等方面作了一些研究，也取得了一些有用的结论。但是对交错桁架在火灾作用下的响应行为的研究基本上处于空白。然而，由于钢结构虽然为非燃烧体，但是其耐火性能却很差，在高温作用下将可能很快失效倒塌，耐火极限仅10－20分钟。有研究表明，一般钢结构温度达到350℃、500℃、600℃时，钢材强度分别下降1/3、1/2、2/3，一般情况下，钢结构失去静态平衡稳定性的临界温度为550℃左右。高温下钢材的强度和弹性模量变化见图3［16］。
图3 温度对钢材性能的影响［16］
国内外钢结构体系因失火导致结构坍塌的例子比比皆是，最为著名的例子就是2001年9月11日美国世贸大厦被飞机撞击后倒塌，这次事故造成了至少3000人死亡以及数以亿计的经济损失。大厦倒塌的主要原因就是钢结构受高温火灾作用，迅速失去承载能力，整个结构内力重分布，使得其他构件的内力超过其容许值，最后导致整体坍塌破坏［17］。从这以后，钢结构的抗火研究引起了越来越多的学者的关注。国内一些学者对钢结构抗火进行了一些研究：同济大学的李国强等人对火灾中约束钢梁在升温段和降温段的行为及对钢结构高强度螺栓连接的抗火性能等进行了研究；天津理工大学的陈玲等人对钢结构火灾下的热机耦合响应进行了非线性有限元分析，对钢框架高温条件下热荷载，热膨胀、热梯度对整体结构机械性能的影响作出了分析等［18－23］。这些研究对进行系统的钢结构交错桁架结构体系的抗火性能研究有很好的借鉴意义。
对于交错桁架体系，由于在火灾作用下柱子和桁架等钢构件的弹性模量会急剧降低，在同样的外荷载作用下，结构各部分的内力不变，但是钢材的极限承载能力随着温度的升高而逐步下降，当下降到小于结构的内力时，结构便失稳破坏。而且，桁架作为整个结构体系中较为脆弱的一部分，在高温作用下会产生膨胀，对其他的构件产生附加的作用力，从而可能超过其容许的承载力，同时，也使连接处的约束作用减弱，使得结构的整体承载能力减弱，从而导致结构坍塌。
钢结构交错桁架体系作为钢结构的一种，有其自身的结构特点，在火灾作用下也有其自身的规律，受火灾作用会造成严重的后果。尽管由于目前世界上交错桁架结构体系失火的案例鲜有报道，但是由于钢结构交错桁架体系的种种优点，在将来应该会有广阔的应用前景，因此我们有必要对交错桁架结构体系在火灾作用下的行为响应进行深入地研究，以期为以后交错桁架结构体系的抗火设计及在火灾作用后的损伤鉴定及修复等工作进行理论上的指导。
3.2 研究方法
目前，对火灾作用下结构的研究方法主要有结构试验和数值模拟两种。在传统的钢结构抗火研究中，是将构件从结构中孤立出来，在标准火灾升温曲线条件下由耐火试验确定构件的耐火时间。然而有研究显示，在考虑结构的整体性能的情况下，构件的耐火时间和孤立的情形有较大的差别。从以前发生的钢结构建筑火灾案例中可以发现，由试验确定的构件耐火时间，不能完全代表构件在真实结构中的耐火时间，从而造成不安全或过于保守使材料浪费的后果。目前，很多国家的钢结构抗火设计方法，已经从基于试验的传统方法，转向基于计算的现代方法［23］。因此在研究交错桁架结构抗火性能时，应该以整体为研究对象，采用基于计算的现代钢结构抗火设计方法进行分析研究。
在世界各地都进行过一些钢结构的抗火实验，譬如在英国卡丁顿曾进行过一栋八层钢结构建筑物的足尺寸火灾实验。然而由于火灾条件下的结构试验非常耗费时间和金钱，故数值模拟成为了一种很好的替代方式，通过计算机数值模拟可以得到大量的在各种火灾场景下的实验数据，从而为交错桁架结构抗火设计进行指导。
4 结束语与建议
交错桁架结构体系是一种经济、适用、高效的结构体系，在我国有着广阔的应用前景。因此，为减轻结构在火灾中的损坏，减少人员伤亡和财产损失，对交错桁架结构体系抗火性能及抗火设计的研究是十分必要的，建议从以下几个方面来进行抗火研究：
第一，考虑结构的整体性能特点，对交错桁架结构体系在火灾下的整体行为响应进行计算分析研究。
第二，由于进行大量的火灾试验是不现实的，因此建议采用计算机软件进行数值模拟，分析结构在各种火灾场景下的力学响应。
第三，对交错桁架结构的构件材料特性进行研究，结合交错桁架的受力特点，寻求更适合交错桁架结构的构件形式，以满足结构的承载力和抗火要求。
第四，钢结构连接的性能对整体钢结构的工作性能具有重大的影响。钢结构在连接处一旦发生破坏，就会影响到钢结构整体的工作性能，甚至使其完全丧失承载力。因此对交错桁架构件连接方式的抗火性能进行研究也是很重要的一个方面。
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