大跨轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)研究

楊正余++孫超

摘 要：轉(zhuǎn)換桁架在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用是較為普遍的，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中其能效發(fā)揮卻會(huì)受到相應(yīng)因素的影響及制約，一方面桁架在應(yīng)用中會(huì)受到高度的直接限制，另一方面在應(yīng)用環(huán)節(jié)并不能一次完成構(gòu)架轉(zhuǎn)換，而這一應(yīng)力卻都會(huì)轉(zhuǎn)換到樓層樓板結(jié)構(gòu)上，這就需要從受力實(shí)際情況出發(fā)，針對(duì)其控制方向?qū)D(zhuǎn)換桁架的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行多方面衡量及優(yōu)化選擇。轉(zhuǎn)換桁架并不是獨(dú)立的結(jié)構(gòu)主體，在應(yīng)用環(huán)節(jié)需要配合使用轉(zhuǎn)換柱做支撐。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換桁架；結(jié)構(gòu)分析；設(shè)計(jì)研究

轉(zhuǎn)換桁架的支撐部件與普通的轉(zhuǎn)換柱是大不相同的，其所承受的剪力及應(yīng)力程度也存在著量化上升特點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中需要從工程實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)其構(gòu)件強(qiáng)度進(jìn)行綜合對(duì)比，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用構(gòu)件的綜合對(duì)比，可以采取將端部后端進(jìn)行連接的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)荷載力的分化及處理，這樣轉(zhuǎn)換柱的的承載力就能相對(duì)提升，相對(duì)的型鋼混凝土轉(zhuǎn)換柱在應(yīng)用環(huán)節(jié)所存在的問(wèn)題也能夠得到解決。對(duì)轉(zhuǎn)換柱結(jié)構(gòu)荷載力進(jìn)行科學(xué)性分析是必不可少的，除此之外，還應(yīng)當(dāng)對(duì)其整體做出彈性屈曲分析，從而對(duì)其應(yīng)用水準(zhǔn)及性能特征進(jìn)行綜合評(píng)估。

一、工程實(shí)例闡述

本文就從某工程入手對(duì)其大跨轉(zhuǎn)換桁架進(jìn)行闡述，以期為開(kāi)展針對(duì)性研究提供參考依據(jù)。在當(dāng)今社會(huì)，多功能建筑形式普遍存在于各大領(lǐng)域中，它不僅具有商業(yè)功能，更涵蓋著大面積的辦公區(qū)域，本文中所舉例的建筑工程是由三棟塔樓及配套裙房組成的，裙房層高是7層，每層高度是6米，其中的三四層是酒店宴會(huì)廳，這兩層之間是具有軸線分布特點(diǎn)的，在宴會(huì)廳的上部就是三樓位置，為了拓展宴會(huì)廳面積，提升上層建筑的性能優(yōu)勢(shì)，就需要在宴會(huì)廳最頂端進(jìn)行結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，與此同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化處理，應(yīng)當(dāng)對(duì)其轉(zhuǎn)換位置進(jìn)行精準(zhǔn)衡量及定位。

大小宴會(huì)廳平面尺寸分別約為33m×50. 4m和18. 6m×27. 9m，層高為12m，采用單向鋼結(jié)構(gòu)桁架進(jìn)行轉(zhuǎn)換，跨度分別為36m（6 榀）和 27m（2 榀），其中有 2 榀36m 跨度的桁架在右端需要進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，主桁架跨度分別為 14. 5m和 18m，轉(zhuǎn)換桁架平面布置，桁架上弦與周邊樓蓋拉結(jié)。工程設(shè)計(jì)使用年限為 50 年，建筑安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為 6 度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0. 04g，建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，特征周期為 0. 45s，抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

首先，本工程所應(yīng)用的桁架與一般桁架相比具有明顯的差異性，這主要是因?yàn)樵撹旒懿粌H要承載三層以上的全部荷載力，其跨度更是呈現(xiàn)出了量化增加的特點(diǎn)，因此本工程所應(yīng)用的桁架也就是大跨轉(zhuǎn)換桁架；其次，綜合工程實(shí)際尺寸進(jìn)行細(xì)化衡量及對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，桁架的設(shè)置高度會(huì)受到建筑凈高的直接影響及制約，這就需要在實(shí)際操作時(shí)將其高度控制在3.8米之內(nèi)，允許誤差值不能超過(guò)2厘米，這時(shí)就能夠根據(jù)跨度長(zhǎng)度做出跨高比計(jì)算。由于該工程的使用功能方面存在一定的限制性，這也同樣決定了上部結(jié)構(gòu)的桁架形式，這就在一定程度上限制了桁架整體的轉(zhuǎn)換功能，因此這就需要將荷載力全部轉(zhuǎn)移到桁架本身，在這一過(guò)程中桁架構(gòu)件所承受的壓力就會(huì)相對(duì)增加，豎向很有可能會(huì)出現(xiàn)變形問(wèn)題。

三、結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

為減輕轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的自重和承擔(dān)的豎向荷載、增加結(jié)構(gòu)的延性和變形能力，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及上部結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，在鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換桁架兩端設(shè)置截面尺寸為1. 4m ×1. 4m 或直徑為 1. 5m 的型鋼混凝土柱，轉(zhuǎn)換構(gòu)件鋼材采用 Q345GJ-C，鋼桁架上下弦與型鋼柱剛性連接。由于鋼桁架跨高比偏小，兩端型鋼混凝土轉(zhuǎn)換柱的剪力和彎矩很大，采取下弦端部后連接的施工措施，以釋放恒載作用下產(chǎn)生的下弦彎矩和對(duì)轉(zhuǎn)換柱的剪力，為此，需進(jìn)行模擬施工加載分析。與桁架上弦相連的相鄰跨的梁采用型鋼梁，以加強(qiáng)對(duì)桁架上弦的拉結(jié)能力。

桁架上弦平面外的鋼梁與桁架上弦剛接，樓板厚度取 150mm，設(shè)次梁把樓板分隔為較小的板塊，樓板通過(guò)抗剪栓釘與鋼梁或桁架上弦連接，以保證樓板的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的整體性。桁架下弦平面內(nèi)設(shè)置水平支撐，間隔 9m 設(shè)置與下弦垂直剛性連接的鋼梁，提高桁架的整體穩(wěn)定性。在二次轉(zhuǎn)換區(qū)域，于垂直于主桁架的一跨范圍內(nèi)的上下弦平面內(nèi)分別設(shè)置水平支撐，以保證主桁架的平面外穩(wěn)定性，減小平面外變形。轉(zhuǎn)換桁架跨度大，并承擔(dān)很大的豎向荷載，分析地震作用時(shí)，進(jìn)行豎向小震和大震時(shí)程補(bǔ)充分析。

轉(zhuǎn)換桁架作為宴會(huì)廳的頂蓋，并支承上部 3 層商業(yè)和冬季花園，屬于重要結(jié)構(gòu)，在極端情況下需要保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)固性，為此，需進(jìn)行防連續(xù)倒塌分析。上弦受壓桿和端部受壓斜腹桿承擔(dān)很大的壓力，同時(shí)承擔(dān)較大的彎矩，屬于壓彎構(gòu)件，需對(duì)其進(jìn)行單構(gòu)件屈曲分析，以保證穩(wěn)定性。在整體彎曲作用下，與上弦相連的樓板壓應(yīng)力水平較高，需對(duì)樓板進(jìn)行局部屈曲分析，評(píng)估其在較大壓應(yīng)力作用下的穩(wěn)定性。

四、桁架立面形式對(duì)比與下弦端部后連接設(shè)計(jì)

為了增加結(jié)構(gòu)的冗余度和穩(wěn)固性，轉(zhuǎn)換桁架端部?jī)煽绲母箺U采用交叉斜腹桿。為了更好地控制桁架變形及內(nèi)力，選取其中一榀有代表性的轉(zhuǎn)換桁架，對(duì)三種立面方案在同條件下進(jìn)行對(duì)比。對(duì)挑選出控制方面的最優(yōu)方案時(shí)，就能對(duì)豎向變形程度及鋼柱剪力進(jìn)行綜合衡量，在做出綜合分析后，就可以對(duì)桁架轉(zhuǎn)換方案進(jìn)行最終判斷。

在豎向荷載作用下，桁架端部下弦桿承受較大的彎矩和軸力，型鋼混凝土轉(zhuǎn)換柱承受較大的彎矩和剪力，且型鋼混凝土柱不同于常規(guī)框架柱，為大偏心壓彎構(gòu)件。方案初期轉(zhuǎn)換柱采用直徑為1200mm的鋼管混凝土柱，由于軸力小、彎矩大，發(fā)揮不出鋼管混凝土的優(yōu)勢(shì)，且偏心率過(guò)大容易導(dǎo)致管壁和混凝土脫離；最后選擇截面尺寸為1.4m×1.4m的型鋼混凝土柱，在軸力21000kN和彎矩21000kN·m作用下，考慮受壓鋼筋標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)。經(jīng)計(jì)算，等效相對(duì)受壓區(qū)高度系數(shù)約等于0.348，可知受壓區(qū)高度仍偏大，受力性能不太好。

為解決型鋼混凝土轉(zhuǎn)換柱相對(duì)受壓區(qū)高度較高的問(wèn)題，采取端部下弦桿在結(jié)構(gòu)封頂后再連接的方法，釋放大部分由恒載產(chǎn)生的型鋼混凝土轉(zhuǎn)換柱的彎矩及下弦桿彎矩。第一階段端部下弦桿不連接，為自重和附加恒載加載、僅承擔(dān)絕大部分恒載的階段；第二階段端部下弦桿連接，為活載加載、承擔(dān)全部豎向荷載階段。

型鋼混凝土轉(zhuǎn)換柱抗震等級(jí)取一級(jí)，型鋼含鋼率不低于5%，對(duì)其承載力和抗震性能水準(zhǔn)進(jìn)行分析評(píng)估，保證轉(zhuǎn)換柱在大震下處于彈性狀態(tài)。轉(zhuǎn)換桁架構(gòu)件主要采用H型鋼，便于施工，有利于保證施工質(zhì)量，僅在跨中上下弦受力較大位置過(guò)渡為箱形截面。垂直轉(zhuǎn)換桁架下弦桿設(shè)置鋼梁與下弦桿剛接，在下弦平面內(nèi)沿周圈設(shè)置水平支撐，在主次轉(zhuǎn)換桁架上下弦位置設(shè)置水平支撐，進(jìn)行轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)整體彈性屈曲分析，保證轉(zhuǎn)換桁架平面外的穩(wěn)定性及二次轉(zhuǎn)換部位主桁架平面外的穩(wěn)定性。

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