摘要：本文結(jié)合建筑實(shí)例分析了高層混凝土空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)方案的特點(diǎn)，以期能夠?yàn)橄嚓P(guān)的實(shí)踐提供些許經(jīng)驗(yàn)參考。

關(guān)鍵詞：高層建筑 混凝土空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu) 方案對比

高層建筑由于底部或某些樓層局部大空間以及底層大出入口建筑功能的需要，在豎向結(jié)構(gòu)改變的樓層設(shè)置轉(zhuǎn)換層已成為現(xiàn)代高層建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢之一，其中，梁式轉(zhuǎn)換層以傳力直接、明確和傳力途徑清楚等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用，是目前最常用的一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換形式。

由于現(xiàn)代建筑朝著高層和超高層形式發(fā)展，相應(yīng)轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)換構(gòu)件承托的層數(shù)也增多，導(dǎo)致豎向荷載也很大，轉(zhuǎn)換梁雖然具有受力性能好、工作可靠、構(gòu)造簡單和施工方便等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)計(jì)算也相對容易，但為了保證轉(zhuǎn)換層具有足夠的承載力和剛度，轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸往往很大，由于梁很強(qiáng)，處理不好有可能使轉(zhuǎn)換梁與轉(zhuǎn)換柱形成的框架出現(xiàn)“強(qiáng)梁弱柱”的現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)的抗震不利，同時(shí)，又由于建筑上對層高及使用空間的種種要求和限制，使得工程應(yīng)用中型鋼（鋼骨）混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、桁架等新材料新形式的引入勢在必行，下面通過一工程實(shí)例進(jìn)行分析對比。

一、工程概況

本文選取的工程實(shí)例為一酒店工程，該酒店的地上建筑面積為36000平方米，總高度為76.80米，地上總層數(shù)是19層，屬于高層建筑類型。地面以上的1層～4層是裙房部分，主要使用功能是酒店會所，每層的高度為5.5米，從5層往上至19層是酒店的客房部，每一層的高度為3.6米。該工程采用帶轉(zhuǎn)換層的鋼筋混凝土框架—抗震墻結(jié)構(gòu)體系，屬于復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)，樓面結(jié)構(gòu)采用混凝土梁板體系?？拐鹪O(shè)防烈度為7度（設(shè)計(jì)基本地震加速度0.1g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場地類別為IV類，抗震設(shè)防類別為丙類，框架和剪力墻的抗震等級均為二級。

該酒店建筑三層布置有大宴會廳，為滿足其大空間功能要求，其中的兩根框架柱被抽掉，形成跨度為3x8.2m=24.6m的大柱距，在被抽柱的上部設(shè)置型鋼（鋼骨）混凝土空腹桁架進(jìn)行結(jié)構(gòu)的局部托柱轉(zhuǎn)換，以承托上部柱子傳來的豎向荷載，與型鋼混凝土轉(zhuǎn)換桁架兩端相連接的框架柱自桁架上弦桿以下部分亦采用型鋼（鋼骨）混凝土柱。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式方案比選分析如下。

二、方案對比

由于本酒店三四層相關(guān)部位使用功能的要求和層高的限制，已無法采用傳統(tǒng)的大截面尺寸實(shí)腹式轉(zhuǎn)換梁（包括型鋼和預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)腹轉(zhuǎn)換梁）進(jìn)行結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，需要采用桁架轉(zhuǎn)換的方式進(jìn)行處理。與實(shí)腹梁轉(zhuǎn)換相比，桁架轉(zhuǎn)換傳力明確、途徑清楚，桁架轉(zhuǎn)換上、下層質(zhì)量分布相對均勻，剛度突變程度也較小，地震反應(yīng)要比實(shí)腹梁小得多，而且自重大大減輕，并能有效利用建筑空間。

轉(zhuǎn)換桁架可采用等節(jié)間空腹桁架、不等節(jié)間空腹桁架、混合空腹桁架、斜桿桁架、疊層桁架等形式，其高度一般為建筑物的一個(gè)樓層高度（單層桁架）或多個(gè)樓層高度（疊層桁架）。

等節(jié)間空腹桁架的受力特征是第一節(jié)間桿件的彎矩和剪力較大，使弦桿截面較大，弦桿節(jié)間最大彎矩值與最小彎矩值之比高達(dá)數(shù)倍，局部桿件內(nèi)力分布不合理，解決這一問題的有效辦法可采用不等節(jié)間空腹桁架和混合空腹桁架。

不等節(jié)間空腹桁架由于通過增大中間節(jié)間的跨度和減小端節(jié)間的跨度來增大中間弦桿的內(nèi)力和減小端部節(jié)間桿件的內(nèi)力，使得弦桿內(nèi)力的分布比較均勻。

混合空腹桁架由于端部設(shè)置了斜腹桿，使豎向荷載的傳力方向和位置發(fā)生了變化，部分豎向荷載直接傳給支座或靠近支座，使得端部上、下弦桿的彎矩和剪力均較大幅度減小，但斜腹桿以及上、下弦桿中軸力較大，截面主要由軸力控制，混合空腹桁架設(shè)置斜腹桿后，桁架的豎向剛度有較大幅度的提高，可作為荷載重、跨度大的豎向轉(zhuǎn)換構(gòu)件。

疊層空腹桁架的受力特征是弦桿彎矩和剪力的大小與各弦桿之間的相對剛度密切相關(guān)，豎向荷載的分擔(dān)與各層弦桿的剛度大小有關(guān)，受力特點(diǎn)是下弦桿出現(xiàn)最大拉力，而上弦桿的壓力最大，中弦桿的軸力相對較小。

疊層混合空腹桁架由于設(shè)置了一定數(shù)量的斜腹桿，改變了上部豎向荷載的傳力途徑，將部分豎向荷載卸給靠近支座的豎腹桿，直接傳給支座，大幅度降低了各層弦桿的彎矩和剪力，但增加了斜腹桿和弦桿的軸力。

單層或疊層桁架的工作機(jī)理是由多根截面較大的弦桿（梁）共同承擔(dān)上部豎向荷載的工作機(jī)制，斜腹桿改變了豎向荷載的傳力方向和位置，起卸載作用，類似于拱傳力。但當(dāng)轉(zhuǎn)換桁架的跨度和承擔(dān)的豎向荷載較大時(shí)，勢必會造成下弦桿的軸力進(jìn)一步增大，采用普通鋼筋混凝土不能滿足轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗裂要求時(shí)，一般可以考慮在受拉弦桿中采用預(yù)應(yīng)力混凝土，形成預(yù)應(yīng)力混凝土桁架結(jié)構(gòu)或者可以考慮轉(zhuǎn)換桁架采用型鋼（鋼骨）混凝土組合結(jié)構(gòu)。

鑒于本酒店轉(zhuǎn)換層及相鄰上部樓層轉(zhuǎn)換桁架相關(guān)部位建筑功能要求，帶斜腹桿的混合空腹桁架也無法使用，上部結(jié)構(gòu)柱網(wǎng)定位決定了轉(zhuǎn)換桁架只能采用等節(jié)間空腹桁架，由于轉(zhuǎn)換桁架跨度已達(dá)24米，采用普通鋼筋混凝土等節(jié)間空腹桁架會因端節(jié)間彎矩和剪力過大造成弦桿截面過大而影響使用要求且不經(jīng)濟(jì)，同時(shí)桁架沿豎向撓度控制與弦桿裂縫控制也較難滿足規(guī)范要求。

兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案均采用了兩種空間分析程序（SATWE和ETABS）進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算分析比較，分別采用考慮扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)的振型分解反應(yīng)譜法和彈性時(shí)程分析法計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)。采用SATWE程序計(jì)算時(shí)，振型數(shù)取為15，采用ETABS程序計(jì)算時(shí)，振型數(shù)取為40，各振型貢獻(xiàn)按CQC組合。對3、4層存在轉(zhuǎn)換桁架的2個(gè)樓層，采用剛性樓板、局部彈性樓板，整層彈性樓板和桁架部分無樓板多種假定進(jìn)行整體分析，以考慮樓板剛度變化對水平力分配的影響。彈性時(shí)程分析所取地面運(yùn)動最大加速度為35gal，選取El-Centro 地震加速度時(shí)程（南北），Pasadena地震加速度時(shí)程和某市人工加速度時(shí)程SHM2，共三條地震加速度時(shí)程。

兩個(gè)方案的兩種計(jì)算方法所顯示的計(jì)算結(jié)果，結(jié)構(gòu)動力特性第一和第二模態(tài)均為平動，第三模態(tài)為轉(zhuǎn)動，扭轉(zhuǎn)周期比滿足規(guī)范0.85的要求，有效質(zhì)量系數(shù)滿足90%的要求。反應(yīng)譜法計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)最大層間位移角、位移比、基底剪重比均能滿足規(guī)范要求。分析表明，地震作用下結(jié)構(gòu)的層剪力沿豎向的分布情況無明顯突變，滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)剛度比計(jì)算結(jié)果表明側(cè)向剛度變化和轉(zhuǎn)換層上、下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度符合規(guī)范有關(guān)規(guī)定。時(shí)程法計(jì)算結(jié)果表明結(jié)構(gòu)最大層間位移角、位移比、基底剪重比均能滿足要求，兩個(gè)電算程序計(jì)算所得時(shí)程法結(jié)構(gòu)底部剪力與反應(yīng)譜法結(jié)構(gòu)底部剪力之比，其單條時(shí)程曲線計(jì)算結(jié)果有的小于65%，而3條時(shí)程曲線計(jì)算平均值均大于80%。

綜合上述計(jì)算分析，預(yù)應(yīng)力混凝土桁架和型鋼（鋼骨）混凝土組合結(jié)構(gòu)桁架兩種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案雖均能滿足各項(xiàng)要求，但從抗震性能和使用功能要求來講，采用型鋼（鋼骨）混凝土組合結(jié)構(gòu)桁架及桁架兩端相連接的框架柱也采用型鋼（鋼骨）混凝土柱更適用于本酒店工程，可充分發(fā)揮型鋼混凝土構(gòu)件承載力高、剛度大、延性好、塑性變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，使得轉(zhuǎn)換桁架在剛度、抗裂度及節(jié)點(diǎn)受剪承載力提高的同時(shí)減小構(gòu)件截面，更好滿足建筑功能的需要。

三、總結(jié)

綜上所述，轉(zhuǎn)換桁架的選型原則歸納如下，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件的跨度和承托的豎向荷載不大時(shí)，可選用等節(jié)間空腹桁架；若其跨度或承托的豎向荷載較大，尤其端節(jié)間弦桿彎矩和剪力很大時(shí)，可選用不等節(jié)間空腹桁架或混合空腹桁架；當(dāng)轉(zhuǎn)換層高度小于層高時(shí)，選用單層轉(zhuǎn)換桁架；當(dāng)轉(zhuǎn)換層高度超過一層時(shí)，選用疊層轉(zhuǎn)換桁架；當(dāng)轉(zhuǎn)換桁架的受拉弦桿不滿足抗裂要求時(shí)，選用預(yù)應(yīng)力混凝土桁架或型鋼（鋼骨）混凝土桁架。本工程轉(zhuǎn)換層選用型鋼混凝土桁架和型鋼混凝土柱以同時(shí)滿足抗震和使用功能的要求。