某復(fù)雜高層轉(zhuǎn)換桁架的設(shè)計(jì)與研究

王紅兵

(安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230091)

1 工程簡介

合肥萬達(dá)廣場酒店位于合肥市蕪湖路包河萬達(dá)廣場項(xiàng)目北區(qū)，為一座超五星級酒店。本項(xiàng)目地下2層，地上主樓21層，裙樓4層，結(jié)構(gòu)高度93.4 m，總建筑面積5萬m2。因使用功能要求，主樓底層大堂范圍抽掉2根中柱，在4～5層設(shè)轉(zhuǎn)換桁架托上部18層，轉(zhuǎn)換桁架下部的柱跨為20.4 m，如圖1所示。該工程竣工至今使用情況良好。

圖1 工程剖面圖

2 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

2.1 轉(zhuǎn)換體系方案的確定

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可采用梁式、拱式、板式、箱式、桁架式等，這些形式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，也適合不同的情況使用。

梁式轉(zhuǎn)換目前用得最多，它設(shè)計(jì)和施工簡單，受力明確，這種傳遞方式結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度條件容易得到滿足。但轉(zhuǎn)換大梁也阻隔了內(nèi)部空間，本工程需要在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)兩邊互聯(lián)互通，故梁式轉(zhuǎn)換方案被排除。

拱式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)輕巧，節(jié)約材料，但拱底部水平推力較大，經(jīng)試算底部采用框支柱不能滿足推力要求，要改為筒體結(jié)構(gòu)，筒體截面較大，嚴(yán)重影響底層大堂使用，故拱式轉(zhuǎn)換方案也被排除。

板式、箱式轉(zhuǎn)換適用于上下柱網(wǎng)、軸線錯(cuò)開較多的情況，自重較大，材料耗用較多，工程造價(jià)較高，計(jì)算分析也較復(fù)雜，也不利于空間利用，本工程避免采用。

桁架轉(zhuǎn)換是一種輕型的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換體系，相當(dāng)于在深梁中規(guī)則地挖去部分材料而形成。與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)概念不同，這里所說的桁架桿系不是只有軸向拉壓力，即轉(zhuǎn)換層桁架除了拉壓力之外，每一個(gè)桿件和節(jié)點(diǎn)都可能存在拉壓、彎、剪、扭等各種復(fù)雜的受力和傳力特性，這是在設(shè)計(jì)和施工過程中都必須注意的一個(gè)重要特性。這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層的優(yōu)點(diǎn)是：節(jié)省材料和成本，轉(zhuǎn)換層利用率高，又不會(huì)發(fā)生突然的破壞過程，但是它必然對抗震計(jì)算和施工過程的監(jiān)測工作在技術(shù)上提出了更高要求。

綜合比較上述各種轉(zhuǎn)換體系的優(yōu)劣，結(jié)合建設(shè)單位使用要求 (轉(zhuǎn)換層為SPA會(huì)所，鏤空的位置可以開門洞方便SPA功能房間的使用)，我們在本工程中最終采用桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體系。

2.2 轉(zhuǎn)換桁架方案的優(yōu)化

原方案轉(zhuǎn)換層以上為3排柱，如圖2所示，柱跨分別為8.4/12.0 m，轉(zhuǎn)換層以下需抽1根中柱，這樣造成轉(zhuǎn)換桁架局部受力太集中，且集中力偏心，造成結(jié)構(gòu)不合理。結(jié)合建筑布局，在滿足使用功能的前提下，轉(zhuǎn)換位置以上單柱分成2根柱，對稱布置，使得轉(zhuǎn)換桁架受力分散均勻，安全合理，對比計(jì)算結(jié)果顯示優(yōu)化后的桁架截面及配筋減小。此外,由于轉(zhuǎn)換桁架以上2根框架中柱垂直變形大于邊柱，設(shè)計(jì)時(shí)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換桁架以上樓層框架梁截面，并把三跨梁視作一根梁，增加貫通鋼筋，提高整體剛度，類似于疊層桁架結(jié)構(gòu)，層層托柱,使得中柱垂直變形減小，中柱豎向力更多分配至落地邊柱，從而減小轉(zhuǎn)換桁架頂部的垂直力、集中力，使設(shè)計(jì)更合理，并提高結(jié)構(gòu)整體安全度。

圖2 轉(zhuǎn)換桁架優(yōu)化圖

2.3 關(guān)鍵部位二道防線的設(shè)置

豎向構(gòu)件為整個(gè)工程的關(guān)鍵構(gòu)件，轉(zhuǎn)換桁架又為豎向構(gòu)件的關(guān)鍵部位，如何保證轉(zhuǎn)換桁架有足夠的安全度是本工程設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一。為此在本設(shè)計(jì)引入了“轉(zhuǎn)換桁架豎向承載二道防線”的概念。

如圖3～圖5所示：把轉(zhuǎn)換桁架模型1拆分為模型2+模型3，模型1是實(shí)際模型，模型2考慮斜桿為壓桿模型，模型3考慮斜桿為拉桿模型。計(jì)算時(shí)，三種模型分別獨(dú)立計(jì)算，模型1、模型2均滿足承載力要求，模型3部分桿件不能滿足承載力要求，最終取包絡(luò)值，超筋構(gòu)件按最大配筋率實(shí)配鋼筋。這樣保證即使受拉構(gòu)件破壞退出工作時(shí)，受壓構(gòu)件仍然保證結(jié)構(gòu)安全,從而保證了轉(zhuǎn)換桁架有足夠的安全儲(chǔ)備，一道防線破壞后尚有第二道防線可以支撐結(jié)構(gòu)，避免倒塌。

圖3 模型1

圖4 模型2

圖5 模型3

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

本工程為超限結(jié)構(gòu)，整體計(jì)算分別進(jìn)行了小震彈性、小震動(dòng)力彈性時(shí)程分析、中震及大震彈塑性計(jì)算。小震彈性采用中國建筑科學(xué)院編制的PKPM系列軟件作為主算程序，MIDAS作為輔算程序；小震動(dòng)力彈性時(shí)程分析：時(shí)程曲線選自本工程《場地地震安全性評價(jià)報(bào)告》，選兩條實(shí)際場地波以及一條人工波；中震計(jì)算采用SATWE程序；大震計(jì)算采用彈塑性靜力推覆分析法(PushOver)，采用PKPM EPDA程序。轉(zhuǎn)換桁架抗震設(shè)計(jì)性能目標(biāo)為：小震彈性，中震彈性，大震不屈服。計(jì)算結(jié)果顯示各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范及設(shè)定的抗震性能目標(biāo)要求。

為了能較好地模擬桁架結(jié)構(gòu)受力，克服該軟件的不足，整體計(jì)算中針對轉(zhuǎn)換層考慮下述幾個(gè)問題：

(1)樓板計(jì)算剛度的假定：通常情況下如果結(jié)構(gòu)平面規(guī)則、樓板連續(xù)，樓板平面內(nèi)剛度可假定為無窮大。這有利于精簡剛度矩陣提高計(jì)算效率。但是桁架結(jié)構(gòu)上下弦拉桿的內(nèi)力是通過上下弦節(jié)點(diǎn)的相對位移實(shí)現(xiàn)的，如果平面內(nèi)剛度假定為無窮大，上下弦節(jié)點(diǎn)間將不出現(xiàn)相對位移，上下弦桿軸力為0，顯然這樣的結(jié)論與通常力學(xué)概念相悖。 因此，桁架上下弦平面內(nèi)樓板必須設(shè)為彈性樓板。

(2)轉(zhuǎn)換桁架上下弦桿計(jì)入軸力計(jì)算。梁承受的軸力一般較小，SATWE程序默認(rèn)按照受彎構(gòu)件計(jì)算，軸壓比小于0.15時(shí)，忽略梁軸力。本工程這些梁承受較大的軸力，應(yīng)按照壓彎構(gòu)件定義，精確計(jì)算上下弦桿軸力，計(jì)入全部軸力。從而保證各構(gòu)件的安全性。

(3)轉(zhuǎn)換桁架上下層轉(zhuǎn)換層按規(guī)范要求設(shè)置為薄弱層，放大地震作用剪力標(biāo)準(zhǔn)值1.25倍。

對轉(zhuǎn)換桁架另采用了平面框架(PK)及MIDAS/Gen有限元程序進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算分析。運(yùn)用PK軟件計(jì)算時(shí)，同樣取圖3～圖5三個(gè)模型分別計(jì)算。

設(shè)計(jì)時(shí)取所有計(jì)算結(jié)果包絡(luò)值，下弦桿的最大軸向拉力設(shè)計(jì)值為5 664 kN，上弦桿支座處的最大軸向拉力設(shè)計(jì)值為3 460 kN，跨中的最大軸向壓力設(shè)計(jì)值為-4 611 kN，其余結(jié)果均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)轉(zhuǎn)換桁架及框支柱混凝土強(qiáng)度等級為C60，要求桁架所有桿件混凝土整體澆注，優(yōu)先采用免振搗混凝土，鋼筋錨固長度均要求不小于40 d。

計(jì)算結(jié)果及配筋見表1，圖6中所示的3號構(gòu)件按框支柱構(gòu)造要求執(zhí)行, 1、2號構(gòu)件按框支梁構(gòu)造要求執(zhí)行, 5號構(gòu)件為拉桿，6、7號構(gòu)件為壓桿，7號構(gòu)件受力較小。

表1 構(gòu)件一覽表

圖6 轉(zhuǎn)換桁架桿件編號

桁架中既有拉桿又有壓桿，還有在地震作用下可能出現(xiàn)拉壓力轉(zhuǎn)變的桿件。為了減緩在復(fù)雜受力下桿件裂縫的開展，提高桁架的延性，除了對轉(zhuǎn)換桁架各種荷載工況下內(nèi)力仔細(xì)分析準(zhǔn)確配筋外，還充分考慮了其上下弦桿、腹桿不同受力特點(diǎn)，在相應(yīng)梁板柱部位采取了一系列針對性構(gòu)造措施。包括：

(1)轉(zhuǎn)換桁架上下弦桿平面內(nèi)樓板加厚加強(qiáng)，桁架至兩邊剪力墻范圍內(nèi)的樓板厚度為200 mm，鋼筋≥Φ10@150雙層雙向，有效傳遞水平力至剪力墻。

(2)弦桿、腹桿交接處加腋，以消除應(yīng)力集中，提高延性，保證了節(jié)點(diǎn)區(qū)的承載力，同時(shí)減緩了桿件裂縫的開展，使得理想力學(xué)模型與實(shí)際受力情況更吻合。

5 結(jié)束語

本工程為復(fù)雜超限高層，轉(zhuǎn)換桁架又為本工程的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，通過前期方案優(yōu)化、多階段、多模型計(jì)算及不同軟件的對比分析，包絡(luò)設(shè)計(jì)，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整優(yōu)化結(jié)構(gòu)布置。在采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)加強(qiáng)措施后，完全達(dá)到保證結(jié)構(gòu)安全并滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)。

工程關(guān)鍵構(gòu)件，在設(shè)計(jì)中需要留有“二道防線”，保證結(jié)構(gòu)安全。