大跨度高層建筑結構設計論文

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［摘要］為滿足某商住綜合樓底部大空間的功能要求，本文通過方案比選推薦采用混凝土斜腹桁架轉換結構，同時介紹了混凝土斜腹桁架轉換結構的結構設計及加強措施，并通過該工程的長期檢測結果證明了混凝土斜腹桁架轉換體系在大跨度高層建筑中是安全可靠、經濟合理的，可供以后類似工程的結構設計參考和借鑒。

［關鍵詞］高層建筑;斜腹桁架;轉換體系

1工程概況

某市商住綜合樓工程，地下2層，地上31層，建筑總高度為99.8m。設防烈度為6度(0.05g)，標準設防類，設計地震分組系第一組，特征周期值0.35s，Ⅱ類場地。主樓采用部分框支剪力墻結構，轉換層兼設備層設置在第3層，層高4.75m，轉換層以上為剪力墻住宅，轉換層以下為12m×12m大柱網，用于商業用途的自由空間，建筑平面圖如圖1所示。為滿足建筑功能的要求，主樓采用部分框支剪力墻結構體系，利用中部樓電梯間設置剪力墻作為抗側力構件。

2轉換方案比選

由于上部剪力墻無法落地，需在三層樓面設置托墻轉換結構，為追求合理的轉換體系，對轉換深梁方案、鋼骨混凝土組合梁、空腹桁架方案、斜腹桿桁架4個方案進行了試算和比選，各方案轉換體系示意圖如圖2所示。采用混凝土轉換深梁進行體系轉換時，轉換梁的軸力較小，彎矩和剪力較大，即通過轉換梁的受彎受剪來承受上部剪力墻傳來的豎向荷載。這就要求轉換梁的截面夠大，往往大于框支柱的截面，易造成框支柱柱端彎矩、節點剪力過大，不易形成“強柱弱梁”的破壞機制，對抗震不利。同時，過大的轉換梁截面嚴重影響了建筑的凈高，自重大、配筋多都是此種轉換方案的劣勢。采用鋼骨混凝土結構進行體系轉換時，鋼骨的配置使得構件的承載能力極大提高，能有效減小轉換梁、轉換柱的截面，同時抗剪承載力和延性的提高又改善了結構的抗震性能。但鋼骨混凝土結構的施工較復雜，工序繁瑣，工期較長，既要求鋼結構的制作與安裝，又要求支模、綁鋼筋，澆筑混凝土較困難，同時鋼骨混凝土中鋼材的用量較大，工程成本較高?？崭硅旒苡缮舷覘U、下弦桿以及直腹桿組成，采用此種桁架轉換體系時，結構受力均勻、傳力明確，但所需直腹桿截面較大，且腹桿承擔的豎向荷載不能直接傳遞到框支柱，彎矩由上下弦桿承擔，與轉換深梁相比，上下弦抗彎縱筋與抗剪鋼筋總量相當，經濟效益不明顯［1］。另一方面，樓層的結構質量和側向剛度在轉換層處豎向不連續，對結構的整體抗震性能不利。采用斜腹桁架體系轉換時，受力機理類似于中間開洞的深梁，傳力直接:下弦桿受拉，上弦桿、斜腹桿受壓，即以構件的受拉或受壓代替構件的受彎受剪來承受上部結構傳來的豎向荷載，因此桿件的截面較小，配筋較少［2］;另一方面，轉換桁架間的空間可作為建筑的設備層，位置和大小都具有很大的靈活性，能有效提高建筑空間的使用率［3］。最終，在技術合理性、滿足建筑立面效果、綜合造價及施工的難易程度等方面優選推薦普通混凝土斜腹桁架轉換方案。在該項目的初步設計評審會上，普通混凝土斜腹桁架轉換方案得到了省內著名結構專家的肯定，認為此種結構形式在湖南省內尚屬率先采用，只要措施得當應是一種非常適合大跨度轉換結構的結構形式。普通斜腹桁架轉換層平面布置圖如圖3所示，轉換部位示意圖如圖4所示。

3混凝土斜腹桁架轉換體系的結構設計及加強措施

3.1結構設計。1)雙向布置連續多跨雙向布置轉換桁架，能有效平衡和減少桿件內力。2)剛度漸變原則沿結構豎向，轉換層上下結構側向剛度需滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ3—2010)［4］(以下簡稱高規)第3.5.2條的要求。在結構建模計算過程中首先要合理布置轉換層以下落地剪力墻，其次要合理布置轉換層以上標準層剪力墻，再調整桁架上弦、斜腹桿、直腹桿、下弦截面大小，必要時還需調整每榀桁架上弦之間雙向井字梁截面，使轉換層上下層剛度平穩過渡并確保轉換層上部標準層(加強層)的剪力墻、連梁配筋正常，最后，通過反復調整與計算，使整個模型側向剛度滿足規范的要求。3)轉換桁架兼設備層轉換桁架層層高4.75m，在結構建模計算時，作為一個樓層考慮其側向剛度的變化，同時轉換桁架的內部空間作為建筑的設備層使用，極大地提高了建筑空間的利用率。4)強斜腹桿、強節點從結構受力狀態方面看，轉換桁架的桿件都是軸心或小偏心受力構件，節點區的受力與構造較復雜，設計不當時易發生節點的脆性破壞，且框支柱節點處理較為復雜。因此，對轉換桁架的節點采用有限元軟件包絡設計與現場的精心施工顯得同樣重要。3.2加強措施。1)剪力墻底部加強部位按照高規［4］第10.2.2條要求，帶轉換層的高層建筑結構，其剪力墻底部加強部位的高度應從地下室頂板算起，宜取至轉換層以上兩層且不宜小于房屋高度的1/10，所以，本工程1～5層為底部加強部位。2)抗震性能化設計由于本工程屬于轉換結構，豎向不規則，按《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)［5］(以下簡稱《抗規》)第6.1.2條、《高規》第10.2.6條要求，為提高其抗震性能，對轉換層以下框支柱、剪力墻底部加強部位的剪力墻進行抗震性能化設計，性能化設計目標為“中震彈性”。同時，本工程的轉換桁架、框支柱及底部加強部位的剪力墻其抗震等級由原二級提高到一級進行抗震構造措施的加強。3)樓板整體計算參數指標時假定樓板是剛性樓板，為了復核計算桁架上下弦的軸力將對應上下弦的樓板定義為彈性樓板，綜合二者結果進行包絡設計。桁架上下弦對應的樓板板厚均取180mm厚，雙層雙向通長鋼筋網，每層每方向鋼筋網的配筋率不小于0.3%。此處理方式有助于有效“分擔”下弦軸向拉力，即可有效減小下弦的截面和配筋又有利于更好地控制下弦的裂縫寬度。4)節點處理在結構建模時，桁架上下弦桿、斜腹桿及直腹桿應分別按偏心受力構件(按柱考慮)進行承載力驗算，應避免腹桿的截面取值過大即軸壓比很小時而導致的剪切(脆性)破壞。在計算過程中發現，當斜腹桿、直腹桿的軸壓比控制在0.5～0．55時，其截面滿足承載力的要求，且配筋基本上是構造配筋。斜腹桁架的弦桿及腹桿內鋼筋設置較多，鋼筋的連接、穿插及錨固較復雜，以下幾處構造問題需要精心處理:①下弦桿、斜腹桿與框支柱的節點;②上弦桿、斜腹桿與直腹桿的節點;③直腹桿與下弦桿的節點。以上節點按照有限元計算所得節點應力云圖并參考屋架及桁架橋端部節點構造進行配筋，構造大樣如圖5所示。

4檢測結果

該項目自施工(2006年)開始，建設單位便委托長沙某科研單位將該工程列入檢測課題，定期對該工程的斜腹桁架轉換層的裂縫撓度進行檢測。該項目竣工多年，每年每季的檢測結果都能完全滿足設計要求。

5結論

1)對轉換結構的方案比選，有利于獲得既滿足建筑功能要求，又安全經濟合理的結構方案。本工程采用的混凝土斜腹桁架轉換結構傳力明確、質量分布均勻、剛度突變平緩、抗震性能好，可有效提高建筑空間的利用率。2)本工程對混凝土斜腹桁架轉換層采用抗震性能化設計，同時對轉換桁架各節點進行有限元應力分析，對上下弦對應的樓板進行包絡設計，既保證了結構的安全性，又經濟合理。3)該工程的長期檢測結果表明:當轉換桁架布置合理、多模型計算包絡設計和構造加強措施得當時，混凝土斜腹桁架轉換結構用于大跨度高層建筑轉換結構設計中是安全可靠的，可供以后類似工程的結構設計參考和借鑒。

參考文獻

［1］楊金明，凌沛春，池彥忠．移動硅谷創新中心二期7#辦公樓疊層斜腹桁架托柱轉換設計［J］．建筑結構，2016，46(24):12-16

［2］劉建偉，李英民，包中國．超高層建筑空腹桁架托柱轉換體系設計［J］．建筑結構，2011，41(10):72-75

［3］劉遠．高層結構轉換層在豎向受力情況下的應力分析［D］．成都:西南交通大學，2007

［4］JGJ3—2010，高層建筑混凝土結構技術規程［S］［5］GB50011—2010，建筑抗震設計規范(2016年版)［S］

作者:馮亮秋 單位:中藍長化工程科技有限公司