劉浩晉 張 濤 李豐晨

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海200092）

0 引 言

福建省建筑科學(xué)研究院建筑設(shè)計(jì)生產(chǎn)基地大樓位于福州市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)旗山大道與學(xué)府南路東北方向交匯處，高新大道西側(cè)。

生產(chǎn)基地大樓總建筑面積77 564 m2，其中地上建筑面積52 500 m2，地下建筑面積25 064 m2。地上裙房4 層，結(jié)構(gòu)高度19.50 m，為多層建筑，主要功能為試驗(yàn)室及辦公；主樓17 層，結(jié)構(gòu)高度72.18 m，為A 級高度高層建筑，主要功能為辦公。地下共二層，主要功能為地下停車以及相關(guān)設(shè)備用房，局部為試驗(yàn)室。為保證良好的建筑使用功能及效果，地上結(jié)構(gòu)不設(shè)置抗震縫形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)單元。上部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土框架-抗震墻結(jié)構(gòu)體系。

塔樓南立面是整棟建筑的關(guān)鍵展示面，為展示建筑靈動、大開大闔的效果，體現(xiàn)令人震撼的建筑沖擊力，建筑底部4 層局部架空形成立面大開洞形式，于地上第五層（下文簡稱桁架層）設(shè)置三榀跨度為21.35 m 的轉(zhuǎn)換桁架以承托上部13 層結(jié)構(gòu)。整體建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural rendering

轉(zhuǎn)換桁架承托上部結(jié)構(gòu)層數(shù)較多，為本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。轉(zhuǎn)換桁架設(shè)計(jì)中需考慮一定的豎向地震作用，同時(shí)要適當(dāng)提高其抗震設(shè)計(jì)性能水準(zhǔn)（按中震不屈服設(shè)計(jì)）。此外尚應(yīng)為轉(zhuǎn)換桁架桿件預(yù)留適量的安全冗余度。同時(shí)還需要重點(diǎn)關(guān)注罕遇地震作用下轉(zhuǎn)換桁架的受力性能，嚴(yán)格限制桁架構(gòu)件塑性發(fā)展程度。最后，為避免樓板開裂引起桁架豎向承載力失效，桁架承載力計(jì)算時(shí)不考慮樓板的有利作用，所有軸力均由桁架弦桿承擔(dān)，同時(shí)構(gòu)造性加強(qiáng)桁架弦桿處樓板配筋。

下文重點(diǎn)針對轉(zhuǎn)換桁架方案比選、節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)換桁架施工規(guī)劃三個(gè)方面闡述本項(xiàng)目轉(zhuǎn)換桁架設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 轉(zhuǎn)換桁架連接方案比選

1.1 剛性連接方案

上下樓層型鋼混凝土梁作為轉(zhuǎn)換桁架的上下弦桿，與鋼腹桿一起形成整體的跨層轉(zhuǎn)換桁架。桁架豎向剛度及承載力較好，構(gòu)造簡單，施工便利。

豎向承載力良好的跨層桁架同時(shí)具有巨大的抗側(cè)剛度及抗剪承載力。經(jīng)計(jì)算，下層與桁架層抗剪承載力比為0.53，形成薄弱層。下層與桁架層的抗側(cè)移剛度比為0.66，同時(shí)形成軟弱層［1-2］。此外，考慮偶然偏心情況時(shí)桁架層位移比值通過一系列優(yōu)化調(diào)整后仍高達(dá)1.50。出現(xiàn)上述問題主要原因是轉(zhuǎn)換桁架具有強(qiáng)大豎向承重能力的同時(shí)具有過大的水平抗側(cè)剛度和承載力。

圖2 轉(zhuǎn)換桁架剛性連接方案Fig.2 Transfer truss with rigid connection

綜上，轉(zhuǎn)換桁架與主體結(jié)構(gòu)剛性連接方案使得主體結(jié)構(gòu)在桁架層下層形成嚴(yán)重的薄弱層和軟弱層，不滿足規(guī)范要求不能同時(shí)形成層［1］。同時(shí)對結(jié)構(gòu)整體扭轉(zhuǎn)控制有惡劣的影響，對抗震設(shè)計(jì)極為不利，不滿足抗震概念設(shè)計(jì)的要求。而解決此問題的關(guān)鍵在于保留轉(zhuǎn)換桁架豎向承重能力的前提下釋放其水平抗側(cè)能力，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換桁架豎向承載功能與主體結(jié)構(gòu)水平抗側(cè)功能分離。

1.2 上弦滑動連接方案

為釋放轉(zhuǎn)換桁架水平抗側(cè)能力，避免桁架剛性連接方案的弊端，轉(zhuǎn)換桁架上弦桿與主體結(jié)構(gòu)框架梁拆分為二，并通過特殊設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)兩者之間相對可滑動。此方案可在有效保留桁架豎向剛度及承載力的同時(shí)釋放其抗側(cè)剛度，轉(zhuǎn)換桁架僅實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)豎向承載功能，不參與主體結(jié)構(gòu)抗側(cè)，結(jié)構(gòu)受力及傳力路徑明確，抗震設(shè)計(jì)概念清晰。

上弦滑動方案釋放轉(zhuǎn)換桁架水平抗側(cè)能力的同時(shí)也帶來一系列設(shè)計(jì)難點(diǎn)。轉(zhuǎn)換桁架頂部直接承托總計(jì)上部13 層荷載，滑動面處存在巨大的壓力，從而產(chǎn)生較大的水平摩擦力。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中不可忽略該水平摩擦力的影響，而較大的水平摩擦力給設(shè)計(jì)工作帶來苛刻的減摩設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)上弦桿與混凝土梁之間可靠的滑動連接，保證兩者之間不卡軌也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。此外，罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)樓板往往開裂較嚴(yán)重，上層結(jié)構(gòu)難以作為桁架受壓上弦桿的有效側(cè)向支撐條件。如何保證罕遇地震作用下轉(zhuǎn)換桁架受壓弦桿的穩(wěn)定性，避免其失效引起連續(xù)性倒塌也將成為本方案的另一個(gè)難點(diǎn)。

圖3 轉(zhuǎn)換桁架上弦滑動連接方案Fig.3 Transfer truss with top chord sliding connection

綜上，上弦滑動連接方案釋放了轉(zhuǎn)換桁架水平抗側(cè)能力，可以解決剛性連接方案的各種問題。但同時(shí)該方案存在滑動面摩擦力過大、滑動節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)復(fù)雜及受壓弦桿穩(wěn)定性問題。解決這些問題的難度較大且可靠性難以保證。

1.3 下弦滑動連接方案

下弦滑動方案中，轉(zhuǎn)換桁架受壓上弦桿與上層混凝土梁合二為一組成型鋼混凝土桿件；下層混凝土梁中預(yù)留開槽，轉(zhuǎn)換桁架下弦桿置于開槽內(nèi)，采用此形式可避免轉(zhuǎn)換桁架下弦桿對建筑功能產(chǎn)生影響。轉(zhuǎn)換桁架下弦桿與下層混凝土梁之間留有50 mm 寬縫隙，保證二者不會發(fā)生水平接觸或碰撞。下層混凝土梁跨度較大，為減小其內(nèi)力在轉(zhuǎn)換桁架下弦處設(shè)置僅承受豎向力的托板支撐下層混凝土梁，托板僅承擔(dān)該層樓面局部荷載，具體節(jié)點(diǎn)構(gòu)造細(xì)節(jié)見下文。下弦滑動方案受力簡圖如圖5所示。

圖4 轉(zhuǎn)換桁架下弦滑動連接方案Fig.4 Transfer truss with bottom chord sliding connection

圖5 下弦滑動連接方案轉(zhuǎn)換桁架受力模式簡圖Fig.5 Force diagram for transfer truss with bottom chord sliding connection

顯然，下弦滑動方案也可釋放轉(zhuǎn)換桁架的抗側(cè)剛度。托板滑動面處僅存在一層樓面荷載，壓力遠(yuǎn)小于上弦滑動方案滑動面壓力，相應(yīng)的水平摩擦力也較小。故此方案不存在上弦滑動方案中滑動面摩擦力過大、滑動節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)復(fù)雜的問題。轉(zhuǎn)換桁架上弦桿巧妙的利用型鋼混凝土構(gòu)件受壓穩(wěn)定性良好的特性，解決了上弦滑動方案的受壓弦桿穩(wěn)定性問題。此外，轉(zhuǎn)換桁架下弦桿置于混凝土梁開槽內(nèi)，直接增加轉(zhuǎn)換桁架的有效高度，轉(zhuǎn)換桁架豎向承載力及剛度更優(yōu)。

經(jīng)計(jì)算，采用下弦滑動方案，下層與桁架層抗剪承載力比為1.04，抗側(cè)剛度比為0.98，消除了剛性連接方案中存在的薄弱層及軟弱層問題。同時(shí)桁架層考慮偶然偏心情況層位移角比值僅為1.18?？拐鸱治稣w指標(biāo)得到極大的改善。對轉(zhuǎn)換桁架進(jìn)行靜力推覆分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換桁架下弦滑動連接使得其不承擔(dān)水平地震作用，罕遇地震作用下轉(zhuǎn)換桁架各構(gòu)件均未進(jìn)入塑性階段。

1.4 轉(zhuǎn)換桁架數(shù)值分析結(jié)果

轉(zhuǎn)換桁架作為本項(xiàng)目受力的關(guān)鍵部位，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不僅需要關(guān)注結(jié)構(gòu)整體指標(biāo)的宏觀變化，同時(shí)應(yīng)注重轉(zhuǎn)換桁架處受力及細(xì)部變形等的數(shù)值分析結(jié)果。圖6 為剛性連接方案及下弦滑動連接方案兩個(gè)整體計(jì)算模型中的Y向地震作用下轉(zhuǎn)換桁架位移對比圖。

圖6 Y向地震作用下轉(zhuǎn)換桁架變形圖（單位：mm）Fig.6 Deformation of transfer truss under earthquake load in Y direction（unit：mm）

從圖6 中可以看出，剛接方案轉(zhuǎn)換桁架樓層層間位移角約為0.60 mm，明顯小于下弦滑動連接方案4.00 mm，下弦滑動處理有效釋放水平抗側(cè)剛度，避免在轉(zhuǎn)換桁架處形成過強(qiáng)的抗側(cè)剛度。

圖7 為上述兩個(gè)方案整體計(jì)算模型中的Y向地震作用下轉(zhuǎn)換桁架軸力對比圖，顯然下弦滑動方案有效釋放了地震作用引起的軸力。

圖7 Y向地震作用下轉(zhuǎn)換桁架軸力圖（單位：kN）Fig.7 Axial force of transfer truss under earthquake load in Y direction（Unit：kN）

1.5 小結(jié)

根據(jù)上述分析結(jié)果匯各方案優(yōu)劣勢結(jié)果如表1所示。

表1 各方案對比匯總Table 1 Comparison of different schemes

綜上，下弦滑動連接方案釋放了轉(zhuǎn)換桁架水平抗側(cè)能力，解決剛性連接方案的各種問題的同時(shí)也避免了上弦滑動連接方案滑動面摩擦力過大、滑動節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)復(fù)雜及受壓弦桿穩(wěn)定性問題，為本項(xiàng)目的最優(yōu)方案。但相對而言，下弦滑動方案施工過程略顯復(fù)雜，后文對此進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2 下弦滑動方案節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)造

桁架下弦與對應(yīng)樓層樓面構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)為下弦滑動方案可行的關(guān)鍵之處，直接決定下弦滑動連接方案的可實(shí)施性。

2.1 下弦桿滑動連接節(jié)點(diǎn)方案比選

根據(jù)轉(zhuǎn)換桁架下弦桿與該層樓面梁之間的相對位置關(guān)系可將下弦滑動連接分為三種方案：下弦桿外置式、居中式及內(nèi)置式，如圖8所示。

圖8 下弦桿滑動連接節(jié)點(diǎn)方案示意Fig.8 Joint with different layouts

外置式及內(nèi)置式兩種節(jié)點(diǎn)方案可以保證下部混凝土梁為一整體，無須像居中式方案將混凝土梁一分為二。兩種節(jié)點(diǎn)方案實(shí)際上將轉(zhuǎn)換桁架偏置，上下層構(gòu)件平面位置相應(yīng)的錯(cuò)位，構(gòu)造上對轉(zhuǎn)換桁架兩端的框架柱截面寬度要求更高，如圖9所示。此外，外置式方案轉(zhuǎn)換桁架上弦型鋼混凝土構(gòu)件對外立面幕墻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，故整榀轉(zhuǎn)換桁架及下部混凝土梁需內(nèi)退避讓幕墻結(jié)構(gòu)。

圖9 三種節(jié)點(diǎn)方案對應(yīng)的墻身剖面Fig.9 Wall section at joints with different layouts

本項(xiàng)目轉(zhuǎn)換桁架端部框架柱在底部兩層為躍層柱從而實(shí)現(xiàn)入口大堂兩層挑空的沖擊感，故框架柱截面統(tǒng)一性要求較高，截面尺寸受到嚴(yán)格限制。本項(xiàng)目采用轉(zhuǎn)換桁架下弦桿居中式連接方式。

2.2 下弦桿滑動連接節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造

轉(zhuǎn)換桁架下弦桿與下層樓面梁之間預(yù)留50 mm 縫隙；轉(zhuǎn)換桁架鋼腹桿與下層樓層板之間同樣預(yù)留50 mm 縫隙，如圖10 所示。通過上述構(gòu)造措施，保證罕遇地震作用下轉(zhuǎn)換桁架下弦桿及腹桿與混凝土結(jié)構(gòu)之間不發(fā)生水平接觸。

圖10 下弦桿及腹桿與混凝土結(jié)構(gòu)之間預(yù)留縫隙Fig.10 Reserved gap between concrete beam and bottom chord

由于下層混凝土梁跨度達(dá)到21.35 m，下弦桿底部設(shè)置托板支撐混凝土梁可明顯改善混凝土梁受力條件，大幅減小混凝土梁截面高度。較小的混凝土梁截面可減小巨型混凝土梁的臃腫感，明顯提升建筑外立面效果。

2.3 滑動面摩擦力影響分析

支撐下層混凝土的托板與混凝土之間產(chǎn)生接觸，不可避免在滑動接觸面產(chǎn)生一定的摩擦力。摩擦力的控制成為節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)?；瑒咏佑|面壓力為一層樓面荷載，其數(shù)值相對穩(wěn)定，不會產(chǎn)生較大的變動也難以通過各項(xiàng)措施減小其大小。摩擦力控制的有效途徑為盡可能減小滑動接觸面摩擦系數(shù)。

為最大限度減小托板接觸面摩擦系數(shù)，借鑒橋梁支座用高分子材料滑板構(gòu)造設(shè)計(jì)［3-4］，托板與混凝土梁之間設(shè)置雙層聚四氟乙烯滑板（中間夾1 mm 厚不銹鋼板），同時(shí)聚四氟乙烯滑板雙側(cè)涂刷5201-2 硅脂（優(yōu)等品）。其中聚四氟乙烯滑板抗壓強(qiáng)度不低于20 MPa，硅脂應(yīng)滿足優(yōu)等品相關(guān)要求［5-6］。涂刷硅脂后的聚四氟乙烯滑板與不銹鋼板間摩擦系數(shù)低于0.01［6-8］。偏保守取節(jié)點(diǎn)摩擦系數(shù)為0.01，桁架承托下弦承托下層樓面豎向荷載1 198 kN，摩擦力不大于11.98 kN。桁架層水平地震剪力為16 515.72 kN，摩擦力占樓層地震剪力的0.73‰，可忽略不計(jì)。

2.4 托板受力分析

轉(zhuǎn)換桁架下弦桿處，支撐下層混凝土的托板是保證下層混凝土樓面結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵構(gòu)件，其受力失效直接引起下層樓蓋結(jié)構(gòu)坍塌，應(yīng)對其受力進(jìn)行專項(xiàng)計(jì)算分析。

采用ABAQUS 軟件建立托板節(jié)點(diǎn)有限元計(jì)算模型，其中托板板厚40 mm，鋼材強(qiáng)度等級為Q355B。計(jì)算結(jié)果如圖11 所示，除應(yīng)力集中區(qū)域外，托板與封頭板交界處Von mises 應(yīng)力約為224 MPa，托板整體處于彈性階段。應(yīng)力云圖顯示托板受力與懸臂板受力狀態(tài)類似，按懸臂板近似計(jì)算托板應(yīng)力為238 MPa，與有限元應(yīng)力分析結(jié)果接近。此外，應(yīng)力云圖清晰表明，下層混凝土樓面荷載引起的托板受力集中于下弦桿端部區(qū)域，遠(yuǎn)離下弦桿軸向受力核心區(qū)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中可不考慮其與下弦桿軸向受力的相互影響。

圖11 托板應(yīng)力云圖Fig.11 Stress contour of steel joint

3 下弦滑動連接方案施工流程規(guī)劃

為避免轉(zhuǎn)換桁架下弦桿對建筑功能產(chǎn)生影響，下弦桿放置于下層混凝土梁預(yù)留開槽內(nèi)，施工過程中不可避免產(chǎn)生交叉作業(yè)的情況。細(xì)致規(guī)劃好相應(yīng)施工次序也成為下弦滑動方案順利推進(jìn)的重要內(nèi)容。具體施工過程規(guī)劃如下：

（1）搭設(shè)下層混凝土梁模板及腳手架；

（2）桁架下弦桿安放施工，綁扎下層混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋；

（3）澆筑下層混凝土（預(yù)留各處縫隙）；

（4）施工轉(zhuǎn)換桁架鋼腹板及上弦桿鋼骨；

（5）搭設(shè)上層混凝土模板及腳手架；

（6）綁扎上層結(jié)構(gòu)鋼筋，澆筑上層混凝土；

（7）待上下層混凝土強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)拆除上下層腳手架。

4 結(jié) 語

創(chuàng)新性的下弦滑動連接方案可在保留轉(zhuǎn)換桁架豎向承載能力的同時(shí)釋放其水平抗側(cè)能力，解決了傳統(tǒng)的剛性連接方案中轉(zhuǎn)換桁架抗側(cè)剛度過大帶來的一系列問題。同時(shí)，下弦滑動方案也可避免上弦滑動連接方案滑動面摩擦力過大、滑動節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)復(fù)雜及受壓弦桿穩(wěn)定性問題。滑動連接節(jié)點(diǎn)為下弦滑動方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之處，轉(zhuǎn)換桁架下弦桿居中式連接方式可有效控制框架柱尺寸，保證入口大廳框架柱截面統(tǒng)一性。為解決下層混凝土梁截面高度設(shè)置的托板帶來節(jié)點(diǎn)摩擦力問題，通過在滑動摩擦面設(shè)置雙層聚四氟乙烯滑板（中間夾1 mm 厚不銹鋼板）形式可有效降低摩擦力，使得工程設(shè)計(jì)中可忽略摩擦力的不利影響。托板有限元分析結(jié)果顯示，下層混凝土樓面荷載引起的托板受力集中于下弦桿端部區(qū)域，遠(yuǎn)離下弦桿軸向受力核心區(qū)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中可不考慮其與下弦桿軸向受力的相互影響。同時(shí)，托板近似按懸臂板計(jì)算即可滿足工程設(shè)計(jì)精度要求。細(xì)致的施工次序規(guī)劃進(jìn)一步增強(qiáng)了下弦滑動方案的可實(shí)施性。

通過整體方案設(shè)計(jì)、局部節(jié)點(diǎn)細(xì)化及施工流程規(guī)劃，全面總結(jié)了下弦滑動方案的各項(xiàng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)并給出創(chuàng)新的細(xì)化方案，為大跨度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)工程提供了一種新穎的解決思路。