型鋼混凝土桁架轉換結構的應用

劉立東

1 概況

山東某商務綜合樓是一幢以辦公為主的商務樓,主體結構為框剪結構,地下1層,地上 18層,建筑高度 69.5 m,層高3.9 m,因使用功能要求底層中庭需25.2 m×19.0 m,4層高無柱開敞空間,為達到此要求,必須在5層處設置轉換結構。本工程采用桁架式轉換。

2 轉換結構方案選擇

多功能的高層建筑,因豎向功能劃分,產(chǎn)生底部大空間的廳堂、商業(yè)功能、通道等,造成結構豎向構件不能連續(xù),需要設置轉換層,通過轉換構件實現(xiàn)上下豎向構件的過渡。

結構轉換方式主要有以下幾種:梁式、板式、箱形結構、桁架式、斜撐、搭接柱等。

2.1 轉換結構方案比選

轉換結構設計需考慮:1)減少轉換;2)傳力直接;3)優(yōu)化轉換結構減少剛度突變。對本工程轉換結構分析比選如下:1)板式轉換結構因傳力復雜、自重大、不利抗震,且不適合本工程框架結構轉換;2)本工程無設備層,轉換層使用空間為開敞空間,不能采用箱形轉換;3)梁式轉化梁高需一層層高,因轉換部位為整體建筑物中部主要通道部位,亦無空間設置轉換梁;4)綜合各方面因素,桁架式轉換形式比較適合本工程,不會造成封閉空間,斜腹桿位置可以通過建筑墻體及裝飾處理;桁架節(jié)點即為上部柱位置,傳力直接;轉換構件側向剛度較小,不會使轉換層產(chǎn)生過大的剛度突變,平面外方向基本不產(chǎn)生豎向剛度變化,結構有利抗震。

2.2 轉換構件平面布置

按建筑平面布置,轉換桁架可以考慮兩種布置方式:1)沿⑧,⑨軸布置兩道兩跨轉換桁架方式;2)沿?軸布置一道三跨轉換桁架。經(jīng)分析,如采用方式1),則?軸交⑧,⑨軸的柱為轉換柱,因此柱為邊柱,且為4層通高柱,下部各層均無樓面梁拉結,對結構及轉換柱構件穩(wěn)定性都比較不利,故放棄方式1),采用方式2)。方式2)雖然跨度較大,但結構縱向整體剛度很好,且能與核心筒剪力墻共線,更能保證整體穩(wěn)定性,桁架產(chǎn)生的水平推力也可以由剪力墻分擔一部分,核心筒剪力墻也是結構抵抗水平推力的足夠儲備(見圖1)。

2.3 轉換構件豎向布置

轉換桁架桿件內力大小主要和斜桿角度有關,為減小桁架內力,需盡量減小斜桿與豎向構件夾角。但同時夾角越小就會使斜向構件跨越的樓層越多,影響建筑使用功能,所以要選擇一個合理的方式使二者兼顧。主要受力斜桿位于⑦,⑧軸和⑨,⑩軸之間,柱距8.4 m,建筑層高3.9 m,比較合適的桁架高度取豎向跨3層,高度為11.7 m,斜桿與柱夾角34°。為減少對建筑平面布局影響,并使節(jié)點不致過于復雜,⑧,⑨軸之間不再設置斜桿,6,7層梁柱為桁架直腹桿(見圖2)。

2.4 轉換構件存在的問題及解決方案

根據(jù)以上布置的轉換桁架仍存在以下問題需解決:1)桁架承擔較大豎向作用力,含桁架所在樓層,共14層豎向力需通過轉換桁架傳遞至⑦,⑩軸柱。斜桿承擔軸力比較大,并有一定的彎矩存在,用鋼筋混凝土構件無法滿足設計要求。2)5層梁跨度較大,為25.2 m,為桁架下弦桿,需承擔很大的水平拉力,同時又要承擔桁架節(jié)點及5層樓面荷載產(chǎn)生的彎矩,需按拉彎構件設計,且彎矩較大,設計難度很大。3)如采用鋼構件,和共4層的很多混凝土構件都有連接,節(jié)點難以處理。

對于這些問題設計中采用了以下方式解決:1)除下弦桿以外的轉換桁架構件均采用型鋼混凝土構件,下弦拉桿采用純鋼截面。2)5層梁(下弦桿)按純拉桿件設計,要使5層梁不承受彎矩,則:a.要取消⑧,⑨軸上5層柱,使5層梁中部無桁架節(jié)點,則無集中力和彎矩傳遞至梁;b.該梁與5層樓面脫離開,樓面通過別的構件支承,荷載不傳遞至該梁。具體方案為:該梁頂標高低于5層板底300 mm,與板無連接,板通過兩側的大跨度預應力混凝土梁支承。預應力梁直接將該大空間頂部范圍全部荷載傳遞至⑦,⑩軸框架梁,與桁架不發(fā)生主要受力關系。通過以上方案,5層梁(下弦桿)僅承擔自重產(chǎn)生的微小彎矩;c.該梁采用純鋼截面,既減輕自重又不影響純拉構件承載力。3)采用型鋼混凝土,型鋼混凝土構件和普通梁柱構件連接便于設計施工。

3 結構分析

3.1 計算分析

結構整體計算采用PKPM2005建筑結構設計軟件系列SATWE多高層結構有限元分析軟件,對轉換桁架另采用ETABS9.2軟件分析內力變形等。

表1 SATWE計算結構豎向剛度比

采用PKPM系列計算,在PMCAD建模時斜柱采用斜桿方式輸入。根據(jù)計算結果分析,斜柱存在不會嚴重影響樓層側向剛度,建筑物豎向剛度突變見表1,轉換結構比較理想。

ETABS計算:針對桁架本身建立了一個模型分析轉換桁架受力及變形。

對SATWE和ETABS所有計算結果進行比較,計算結果差距較大,SATWE計算未能反映梁(水平構件)的軸向力,而水平分力是轉換桁架受力中很重要的一項,故構件以ETABS計算結果為主進行設計(見表2)。

表2 ETABS及SATWE構件計算結果

桁架跨中最大撓度計算值約15 mm=L/1680＜L/400,水平作用下桁架最大層間位移為H/6000,均能滿足規(guī)范要求。

3.2 構件設計

型鋼混凝土截面構造見圖3。

1)斜柱:整個轉換桁架中最重要的受力構件是兩根斜柱,鑒于鋼筋混凝土無法滿足強度及延性要求,采用型鋼混凝土截面。2)上弦桿,即是8層梁:除斜柱外上弦桿是桁架中軸力最大的構件,采用ETABS計算結果,按型鋼混凝土截面設計。3)下弦桿:為主要受拉構件,采用全鋼結構截面,并和樓面梁板分開。4)6層梁:為次要受拉構件,采用型鋼混凝土截面。5)其余構件受力相對較小,均采用鋼筋混凝土構件。

4 結語

通過對本工程的整體計算分析及型鋼混凝土組合柱、斜腹桿轉換桁架的內力計算分析、設計,保證了轉換結構在承受水平荷載和豎向荷載的作用下,能夠滿足規(guī)范的要求。有效解決了底層大空間的難題,滿足了實際需要,整體工程經(jīng)濟可靠,對同類工程具有指導意義。

[1]JGJ 3-2002,高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].

[2]JGJ 138-2001,型鋼混凝土組合結構技術規(guī)程[S].

[3]JGJ 99-98,高層民用建筑鋼結構技術規(guī)程[S].

[4]劉維亞,張興武,姜維山,等.型鋼混凝土組合結構構造與計算手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[5]徐培福,傅學怡,王翠坤,等.復雜高層建筑結構設計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.