徐政輝

(龍口市住房和規(guī)劃建設(shè)管理局，山東龍口 265701)

1 工程概況

該工程抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.20g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場(chǎng)地類別為Ⅲ類，為一地下2層、地上18層的辦公樓，總高64.8m，總建筑面積約為3萬(wàn)m2。結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)使用年限為50年。該樓主體結(jié)構(gòu)已于近期封頂。結(jié)構(gòu)平面布置見(jiàn)圖1。沿A—A方向的結(jié)構(gòu)剖面見(jiàn)圖2。

由圖2可以看出，由于建筑功能的要求，?軸上兩個(gè)核心筒之間的兩根柱在8層被斷掉，?軸上兩個(gè)核心筒之間的兩根柱在7，8，9層被斷掉，為承托上部第10層～第18層柱子和懸掛下部第7層的柱子，分別在8層和9層布置了一榀轉(zhuǎn)換桁架，分別稱為桁架A和桁架B，桁架形式見(jiàn)圖3。

桁架A和桁架B分別承托上部11層和10層荷載，另外桁架A下面還懸掛兩個(gè)框架柱吊住第7層梁板。桁架A和桁架B跨度均為15.6m，桁架高度取為3.6m(轉(zhuǎn)換層層高為3.6m)，桁架兩端分別坐落在兩側(cè)的同方向筒體墻上，鋼桁架與墻體內(nèi)的內(nèi)置鋼骨相連接。型鋼柱在墻端柱中共埋置3層(轉(zhuǎn)換層向上向下各延伸一層)，由于支撐桁架A的兩端墻體被電梯門(mén)洞打斷，鋼骨柱采用了如圖4所示的截面形式，并對(duì)電梯門(mén)洞處連梁進(jìn)行了構(gòu)造加強(qiáng)。

2 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析與轉(zhuǎn)換形式的選擇

2.1 轉(zhuǎn)換方案的分析

初選轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案時(shí)，考慮了以下幾種方案:

采用混凝土墻(或轉(zhuǎn)換大梁)，會(huì)形成轉(zhuǎn)換層和其下層剛度突變，不滿足規(guī)范要求，過(guò)大的剛度導(dǎo)致墻(或轉(zhuǎn)換大梁及其支座)分擔(dān)過(guò)多的地震力，而且墻在大震下進(jìn)入彈塑性和塑性階段的應(yīng)力分布不規(guī)律且延性較差。

桁架轉(zhuǎn)換尤其是鋼桁架則能夠很好的解決層剛度分布的問(wèn)題。

桁架轉(zhuǎn)換與墻式(或梁式)轉(zhuǎn)換相比，具有可使用建筑空間大，受力狀態(tài)更明確，抗震性能好，自重小的特點(diǎn)。但鋼筋混凝土桁架節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)和配筋構(gòu)造復(fù)雜，容易發(fā)生剪切脆性破壞，尤其是當(dāng)桁架轉(zhuǎn)換層的高度較小時(shí)斜壓腹桿形成超短柱，在地震作用時(shí)容易產(chǎn)生脆性坡壞，限制了鋼筋混凝土桁架轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。而鋼桁架則可以克服以上缺點(diǎn)，具有較好的抗震性能。

綜上所述，由于鋼桁架具有較高的承載力和較為合理的抗側(cè)剛度，采用鋼桁架不會(huì)形成轉(zhuǎn)換層和其下層剛度突變，能夠滿足規(guī)范要求(本工程轉(zhuǎn)換層抗側(cè)剛度與相鄰下層抗側(cè)剛度之比為1.21，滿足規(guī)范不大于1.43的要求);而且鋼桁架具有較好的延性，鋼桁架在工廠加工，質(zhì)量容易得到保證。

本工程采用建筑結(jié)構(gòu)空間有限元分析程序ETABS和SATWE兩種程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)比分析。為得到鋼桁架的內(nèi)力，計(jì)算中采用既能考慮面內(nèi)剛度又能考慮面外剛度的殼單元，對(duì)與鋼桁架相連的樓板進(jìn)行模擬，計(jì)算鋼桁架受力時(shí)考慮了水平雙向地震作用和豎向地震作用，并考慮了施工過(guò)程對(duì)鋼桁架和其上框架的影響。計(jì)算地震作用時(shí)除采用振型分解反應(yīng)譜法，還對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了彈性動(dòng)力時(shí)程分析。設(shè)計(jì)中，除考慮施工加載模擬外，對(duì)轉(zhuǎn)換桁架還按照其實(shí)際的受荷面積進(jìn)行復(fù)核。SATWE(括號(hào)內(nèi)為ETABS計(jì)算結(jié)果)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 SATWE(括號(hào)內(nèi)為ETABS計(jì)算結(jié)果)結(jié)構(gòu)整體計(jì)算結(jié)果

X方向最大值層間位移角為1/1089，Y方向最大值層間位移角為1/1183。

轉(zhuǎn)換桁架在豎向荷載和水平地震作用下的內(nèi)力見(jiàn)圖5，圖6(由于桁架沿中線對(duì)稱，只給出了半榀桁架內(nèi)力)。

2.2 轉(zhuǎn)換桁架的桿件截面的確定

桁架高度確定后，存在一個(gè)合理選取桁架桿件截面，即合理選取轉(zhuǎn)換層剛度和承載力的問(wèn)題。當(dāng)轉(zhuǎn)換層剛度和承載力過(guò)大時(shí)，一方面引起地震反應(yīng)和結(jié)構(gòu)豎向剛度的突然增大，使轉(zhuǎn)換層上下層處于更加不利的受力狀態(tài)，而且不能滿足高規(guī)4.4.3條對(duì)上下層受剪承載力的要求。當(dāng)轉(zhuǎn)換層剛度過(guò)小時(shí)，上部支撐部分的豎向構(gòu)件與其他豎向構(gòu)件之間(本工程兩側(cè)為沉降較小的墻體)可能出現(xiàn)較大的沉降差，從而產(chǎn)生明顯的次應(yīng)力，導(dǎo)致其內(nèi)力和配筋增加，不能形成有效的轉(zhuǎn)換。綜合考慮以上兩個(gè)因素，通過(guò)計(jì)算與對(duì)比分析確定了鋼桁架桿件截面，既使得上部框支部分的梁和柱不產(chǎn)生較大的次應(yīng)力和過(guò)大的配筋率，又使得通過(guò)適當(dāng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層下部墻體水平筋后能夠滿足規(guī)范中上下層受剪承載力的比例限值要求。

為滿足鋼桁架上翼緣與其上支撐柱的連接構(gòu)造問(wèn)題，上弦桿的翼緣寬度取為300mm(柱寬為600mm)，柱縱筋可以繞過(guò)翼緣進(jìn)行彎折錨固到框架梁中，避免了柱與上翼緣的縱筋連接問(wèn)題，同時(shí)保證了節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土的澆筑質(zhì)量。

綜合考慮以上因素，確定最終轉(zhuǎn)換桁架主要桿件截面為:

上弦桿為 H600×300×20×30，下弦桿為 H700×300×20×30，端部斜腹桿為H600×300×20×30，中間斜腹桿和直腹桿為H400×300×16×20，均為Q345C焊接工字鋼截面。

2.3 關(guān)于帶轉(zhuǎn)換桁架的層受剪承載力的計(jì)算

從理論上講，普通層的受剪承載力等于混凝土柱根據(jù)實(shí)際配筋量計(jì)算出來(lái)的受剪承載力之和，轉(zhuǎn)換層的受剪承載力等于混凝土柱根據(jù)實(shí)際配筋量計(jì)算出來(lái)的受剪承載力之和再加上鋼桁架腹桿受剪承載力。但實(shí)際上鋼桁架兩側(cè)固定在混凝土剪力墻上，而混凝土破壞的允許變形較小，鋼桁架達(dá)到受剪承載力需要很大的變形(經(jīng)計(jì)算約為墻體開(kāi)裂變形的3倍以上)，加之鋼桁架本身具有較高的承載力安全富余度，所以在鋼桁架未達(dá)到極限承載力之前，桁架兩端的混凝土?xí)霈F(xiàn)局部開(kāi)裂從而引起結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布，鋼桁架無(wú)法在本層混凝土墻柱達(dá)到受剪強(qiáng)度的同時(shí)發(fā)揮其極限受剪承載力(鋼桁架本身不破壞，這也正是設(shè)計(jì)意圖)，因此筆者認(rèn)為程序SATWE給出的帶鋼桁架轉(zhuǎn)換層抗剪承載力之比，并非我們實(shí)際需要控制的層間抗剪承載力之比，實(shí)際設(shè)計(jì)中固然應(yīng)該對(duì)轉(zhuǎn)換層下面一層或兩層進(jìn)行水平抗剪配筋的加強(qiáng)，但可以不必完全按照上述理論公式去滿足高規(guī)4.4.3的規(guī)定，這樣會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，尤其是當(dāng)鋼桁架采用Q345鋼材和具有較高的承載力富余度時(shí)。

本工程對(duì)轉(zhuǎn)換層下兩層墻體進(jìn)行了水平筋配筋加強(qiáng)，轉(zhuǎn)換層相鄰下一層和轉(zhuǎn)換層受剪承載力之比為0.67，剛剛滿足規(guī)范中不小于0.65的要求，但此時(shí)的水平筋配置已比較保守。

3 構(gòu)造設(shè)計(jì)

3.1 抗震加強(qiáng)措施

針對(duì)高位轉(zhuǎn)換采取了以下抗震加強(qiáng)措施:

1)轉(zhuǎn)換桁架上一層、其所在層以及其下各層與轉(zhuǎn)換桁架相連的墻體均按加強(qiáng)部位配筋。2)在轉(zhuǎn)換桁架的上下弦桿上表面與混凝土樓板結(jié)合處設(shè)置栓釘。目的是為了保證轉(zhuǎn)換桁架上下弦桿所在樓面水平力的可靠傳遞。3)對(duì)轉(zhuǎn)換層上下樓板板厚適當(dāng)加厚，并配置了雙層雙向鋼筋，配筋率不小于0.3%。4)采用ETABS程序?qū)D(zhuǎn)換層及其上下層樓板采用細(xì)分的殼單元進(jìn)行模擬，根據(jù)應(yīng)力分布情況進(jìn)行配筋加強(qiáng)，并且在轉(zhuǎn)換層樓板中局部設(shè)置暗梁以加強(qiáng)整體性和保證水平力的可靠傳遞。5)在轉(zhuǎn)換層支座內(nèi)設(shè)置如圖4所示的截面形式的型鋼，型鋼伸入抗震墻300mm，墻體內(nèi)水平筋與鋼桁架的隔板或連接耳板相焊接。使桁架與支撐墻體有可靠連接，保證在水平力作用下，桁架端部仍能與混凝土結(jié)構(gòu)保持整體連接，不產(chǎn)生脫離破壞。

3.2 混凝土梁板柱與鋼桁架的連接構(gòu)造措施

框架梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)施工困難是鋼骨混凝土最大的問(wèn)題，框架梁主筋穿越鋼骨柱不方便，如處理不當(dāng)，受力關(guān)鍵部位的節(jié)點(diǎn)區(qū)可能成為薄弱部位。本工程中與鋼骨柱翼緣相交的混凝土框架梁與鋼骨的連接采用了鋼筋主筋與鋼牛腿翼緣板相焊接的方式，與腹板相交的混凝土框架梁采用了縱筋穿過(guò)腹板或繞過(guò)翼緣的方式。

支撐在鋼桁架上弦桿的梁柱節(jié)點(diǎn)采取了如圖7所示的方式。

施工此部位時(shí)要保證上弦節(jié)點(diǎn)與上部柱的中心對(duì)齊，避免面外受力，充分發(fā)揮桁架的受力優(yōu)勢(shì)。

懸掛在下翼緣的框架柱與鋼桁架下翼緣的連接采用了如圖8所示的方式。

框架柱的縱筋錨入框架梁中或與下翼緣工字鋼的隔板相焊接。

以上方式解決了型鋼桁架與混凝土梁板柱的連接問(wèn)題，經(jīng)施工檢驗(yàn)是可行的。

4 施工

4.1 支護(hù)與拆模問(wèn)題

施工中最初考慮支撐鋼桁架的腳手架待主體結(jié)構(gòu)完全施工完畢后再拆除，這樣不僅影響下部非主體結(jié)構(gòu)的施工，而且會(huì)增加施工費(fèi)用。實(shí)際施工中采取待支撐鋼桁架的兩側(cè)墻體達(dá)到100%設(shè)計(jì)強(qiáng)度后即拆除腳手架，由鋼桁架來(lái)完全承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)的一期恒荷載，然后由鋼桁架和上部框架共同承受二期恒載和活荷載，通過(guò)施工過(guò)程分析，鋼桁架和上部框架能夠滿足受力和變形要求。

4.2 懸掛柱的設(shè)計(jì)與施工

為防止鋼桁架的豎向位移對(duì)懸掛柱帶來(lái)不利的次應(yīng)力，在懸掛柱中部設(shè)置500mm寬的后澆塊，待主體結(jié)構(gòu)施工完畢后再澆筑后澆塊，計(jì)算時(shí)通過(guò)對(duì)懸掛層梁柱形成的框架施加強(qiáng)迫位移的方式模擬二期恒載和活載引起的桁架變形對(duì)下部懸掛結(jié)構(gòu)的影響。

4.3 施工監(jiān)測(cè)

條件允許時(shí)可以在施工中進(jìn)行鋼桁架個(gè)別桿件的應(yīng)變測(cè)試和桁架的跨中位移測(cè)試，可以通過(guò)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比來(lái)驗(yàn)證計(jì)算模型的合理性，考察鋼桁架和混凝土框架以及兩側(cè)剪力墻的整體協(xié)同工作情況，并為施工過(guò)程提供支模、拆模的力學(xué)依據(jù)。本工程在施工分析時(shí)考慮了測(cè)試方案，但因時(shí)間等原因未能實(shí)施。

5 結(jié)語(yǔ)

在高層建筑中的轉(zhuǎn)換層、薄弱層等特殊部位的設(shè)計(jì)中，不僅要有統(tǒng)籌的概念設(shè)計(jì)考慮，還要有量化的分析，并結(jié)合行之有效的構(gòu)造措施，才能最終保證結(jié)構(gòu)的可靠性。

通過(guò)對(duì)本工程鋼桁架轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的回顧，筆者認(rèn)為此類工程需有以下問(wèn)題值得關(guān)注:

1)采用合適的程序和有限元單元來(lái)模擬轉(zhuǎn)換體系與梁板柱的連接及轉(zhuǎn)換層樓板開(kāi)洞部位，以得到準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)內(nèi)力。2)選擇合理的轉(zhuǎn)換形式使得傳力更明確，特別是保證大震下轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的可靠度。3)轉(zhuǎn)換桁架截面的選擇既要綜合考慮結(jié)構(gòu)層間剛度和承載力的比例，又要兼顧上部結(jié)構(gòu)因桁架位移引起的次內(nèi)力和增加的配筋量。4)要采取行之有效的構(gòu)造加強(qiáng)措施保證鋼桁架和主體混凝土結(jié)構(gòu)的連接并提高轉(zhuǎn)換層及其上下層的結(jié)構(gòu)延性。

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