黃祖華

（廣西中澤建筑設(shè)計(jì)有限公司 廣西南寧 530011）

前言

高層與超高層建筑日益成為現(xiàn)代城市化發(fā)展的重要因素，并且具備日益復(fù)雜的結(jié)構(gòu)造型及日益多元的建筑功能?？崭硅旒芙Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換體系可以作為建筑上部結(jié)構(gòu)的有效承托，又被稱作維氏桁架，主要是由直腹桿、上弦及下弦桿共同構(gòu)成，具備一定的彎曲變形效果，可以作為建筑桁架結(jié)構(gòu)來使用，保證建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1 工程案例

本文所提出的工程案例，是A市工業(yè)產(chǎn)業(yè)基地，該基地建筑總體面積超過50000m2，包括一個(gè)主體建筑及一個(gè)副樓。其中，主體建筑含有1層地下空間及11層地上空間，地上建筑整體高度為54.5m，平面規(guī)格為99×31m，框架柱網(wǎng)為9×8.5m，建筑剪力墻厚度沿柱自下而上分段下降，最大剪力墻厚度為400mm，最小剪力墻厚度為300mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)也是自下而上發(fā)生變化，最大強(qiáng)度為C50，最小強(qiáng)度為C40。主體建筑底層的普通框架柱截面為800×800mm。本文所提出的工程案例，其主體建筑抗震設(shè)防類比為丙類，抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度，建筑結(jié)構(gòu)為框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。

工程要求主體建筑入口空間單體面積較大，涵蓋1～3層，抽出其中2根框架柱，采用轉(zhuǎn)換桁架。建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，出于保障建筑立面及平面設(shè)計(jì)要求，采用27m長，層高4.5m的雙疊層空腹桁架來實(shí)現(xiàn)對(duì)于上部結(jié)構(gòu)荷載的承托?？蛑е捎镁邆淞己眯阅艿男弯摶炷敛牧?，以工程施工技術(shù)應(yīng)用規(guī)范為基礎(chǔ)強(qiáng)化建筑的抗?fàn)幮阅?。同時(shí)采用型鋼混凝土，以拉彎及壓彎構(gòu)件確定混凝土截面，并設(shè)計(jì)配筋。建筑以轉(zhuǎn)換層為分水嶺，轉(zhuǎn)換層上部的結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為4級(jí)，轉(zhuǎn)換層下部的結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為3級(jí)?？蛑е稗D(zhuǎn)換桁架的抗震等級(jí)為2級(jí)，建筑整體鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為3級(jí)。

2 結(jié)構(gòu)選型與力學(xué)分析

對(duì)該建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型轉(zhuǎn)換，并分析其力學(xué)性能。本工程主體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換跨度為27m，轉(zhuǎn)換層需要承載較大的上部負(fù)荷，因此不可以采用常見的寬扁梁轉(zhuǎn)換方式，而是采用桁架轉(zhuǎn)換方式，滿足建筑結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的傳力明確、靈活布置等要求，在受力方面更加科學(xué)合理。經(jīng)過計(jì)算與分析，本次設(shè)計(jì)所選取的空腹桁架為層高4.5m的雙疊層空腹桁架，采用型鋼混凝土作為桿件，保證轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的延展性與抗震效果[1]。

疊層空腹桁架的組成包括弦桿與直腹桿，桿件具備較大的軸力，并可以起到較好的承受彎矩及剪力的效果。空腹桁架所具有的上部水平桿件及下部水平桿件在軸向壓力及拉力方面具備優(yōu)越性，但轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的布置形式會(huì)影響軸向壓力值與拉力值。荷載作用的影響下，空腹桁架具備均勻的受力與明確的傳力結(jié)構(gòu)，在實(shí)際工程中的使用，還可以減少成本投入，因此而具備良好的經(jīng)濟(jì)效益。疊層空腹桁架結(jié)構(gòu)的桿件具備較小的截面積，因此柱結(jié)構(gòu)也具備較強(qiáng)的承載力、延展性與耗能能力，具備極佳的抗震效果。

3 結(jié)構(gòu)整體的計(jì)算分析

圖1 恒載作用下的空腹桁架結(jié)構(gòu)彎矩、剪力與軸力

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并不具備連續(xù)的上下層構(gòu)件，豎向剛度存在變動(dòng)，樓層抗側(cè)剛度變化，導(dǎo)致本高層建筑動(dòng)力反應(yīng)，并造成局部破壞。在實(shí)際的計(jì)算與設(shè)計(jì)中，要充分明確轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的重要性，并從整體的角度對(duì)其加以計(jì)算與分析。本次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所采用的軟件包括SATWE及ETABS，設(shè)計(jì)方法為扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振型分解方式，從重力二階效應(yīng)及雙向地震作用兩個(gè)角度加以考量。對(duì)建筑整體結(jié)構(gòu)加以計(jì)算時(shí)，也要計(jì)算地下一層建筑空間。

本次建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)中，各層結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度超過相鄰上層側(cè)向剛度的70%，高于三層相鄰層側(cè)向剛度平均值的80%，因此其剛度比合理，不存在明顯結(jié)構(gòu)軟弱層。在三層設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換層，基于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程中的具體要求，確定結(jié)構(gòu)上部與下部的抗側(cè)剛度比，即，抗側(cè)剛度比越接近1則越合理。采用彎剪剛度計(jì)算方法，確定X方向及Y方向剛度比，分別為0.8596和0.8721，抗側(cè)剛度比低于1.3，滿足設(shè)計(jì)規(guī)程的具體要求。

三層以上的轉(zhuǎn)換層設(shè)計(jì)，基于設(shè)計(jì)規(guī)程的具體要求，其側(cè)向剛度要超過相鄰上部樓層側(cè)向剛度的60%，采用層間剪力比層間位移算法，確定轉(zhuǎn)換層自身的側(cè)向剛度及其相鄰上層側(cè)向剛度比，從X方向及Y方向計(jì)算分別為1.14與1.25，超過60%，滿足設(shè)計(jì)規(guī)程的具體要求[2]。

空腹桁架結(jié)構(gòu)構(gòu)件所采用的材料為型鋼混凝土，通過型鋼混凝土強(qiáng)化結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)，將其提高至2級(jí)，并控制好框支柱軸壓比，盡量使軸壓比小于0.7，以拉彎級(jí)壓彎構(gòu)件為參考設(shè)計(jì)桁架截面配筋。型鋼混凝土構(gòu)建中，采用強(qiáng)屈比超過1.2的鋼骨材料，并合理控制其鋼材屈服強(qiáng)度變化值。轉(zhuǎn)換層及其相鄰下層地震力，以結(jié)構(gòu)薄弱層地震力為基礎(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)放大，可以為后者的1.15倍左右，并且結(jié)合空腹轉(zhuǎn)換桁架實(shí)現(xiàn)對(duì)于框支柱地震內(nèi)力的放大，可以為薄弱層的1.25倍。

4 結(jié)構(gòu)構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

型鋼混凝土構(gòu)件在空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中的使用具有獨(dú)特性，出于保障彎矩傳遞有效性的考量，設(shè)置與空腹桁架相鄰的普通混凝土梁，在混凝土梁內(nèi)部及轉(zhuǎn)換桁架上部混凝土柱中設(shè)置相應(yīng)鋼骨材料。轉(zhuǎn)換桁架兩側(cè)的轉(zhuǎn)換柱中采用延伸到基礎(chǔ)底板的型鋼材料。

圖2 型鋼混凝土框架支柱構(gòu)造節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

桁架轉(zhuǎn)換層下弦的軸向拉力較大，型鋼混凝土構(gòu)件配筋及截面，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過中間層弦桿及上弦。下弦梁面、梁底的配筋率及下弦含鋼率分別為1.7%、1.47%和3.7%。型鋼混凝土構(gòu)件的正截面合理計(jì)算，從軸力作用的角度考量，結(jié)合拉彎級(jí)壓彎進(jìn)行計(jì)算，并利用軟件技術(shù)加以復(fù)核。以截面纖維模型積分算法及其平截面假定為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，基于有限元原理，離散截面，形成若干個(gè)小單元，基于材料本構(gòu)關(guān)系計(jì)算其應(yīng)力，并計(jì)算單元應(yīng)力積分，確定截面承載力參數(shù)及N-M曲線。

混凝土壓彎構(gòu)件斜截面承載力的計(jì)算公式為：

并參考《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)造與計(jì)算手冊(cè)》中的相關(guān)計(jì)算方法對(duì)其斜截面承載力加以復(fù)核，即：

5 轉(zhuǎn)換樓板的設(shè)計(jì)分析

轉(zhuǎn)換層樓板設(shè)計(jì)，要保障豎向抗側(cè)力構(gòu)件起到協(xié)同工作效果，實(shí)現(xiàn)上部結(jié)構(gòu)水平力向下部結(jié)構(gòu)之間的可靠傳遞，并起到隔斷作用。為此，需要合理選擇樓板剛度模型，保證結(jié)構(gòu)整體計(jì)算精準(zhǔn)性，保證結(jié)構(gòu)分析的合理性。本文所提出的工程案例具備較大的桁架水平力，因此其樓板變形問題較為明顯，就需要對(duì)基于樓板彈性，轉(zhuǎn)換桁架附近的樓板加以計(jì)算，考量樓板自身平面剛度。轉(zhuǎn)換層來鄰層的樓板厚度要增加180mm，并增加雙向加強(qiáng)配筋[3]。

圖3 預(yù)應(yīng)力鋼筋的錨固區(qū)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)層結(jié)構(gòu)中，樓板長度為100m，其伸縮縫間距不符合《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的具體要求，為了減少混凝土收縮以及環(huán)境溫度對(duì)于混凝土收縮所產(chǎn)生的影響，避免樓板在溫度應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂縫而影響空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，應(yīng)當(dāng)在樓板中配置相應(yīng)預(yù)應(yīng)力鋼筋，樓板采用C40混凝土，在樓板中心配置的鋼筋為直線束無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋。

6 結(jié)語

型鋼混凝土材料的雙疊層空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，具備較好的結(jié)構(gòu)合理性，清晰而明確地進(jìn)行受力傳遞，具備較高的結(jié)構(gòu)承載力，可以在滿足建筑功能性要求的同時(shí)，提高建筑抗震性能，保證建筑安全。但同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工難度較高，需要從節(jié)點(diǎn)受力、桁架受力、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等層面加以考量，保證節(jié)點(diǎn)連接的穩(wěn)固性。