［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(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，同時(shí)介紹了混凝土斜腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加強(qiáng)措施，并通過該工程的長期檢測(cè)結(jié)果證明了混凝土斜腹桁架轉(zhuǎn)換體系在大跨度高層建筑中是安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的，可供以后類似工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考和借鑒。

［關(guān)鍵詞］高層建筑;斜腹桁架;轉(zhuǎn)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(shè)防烈度為6度(0.05g)，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，設(shè)計(jì)地震分組系第一組，特征周期值0.35s，Ⅱ類場(chǎng)地。主樓采用部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換層兼設(shè)備層設(shè)置在第3層，層高4.75m，轉(zhuǎn)換層以上為剪力墻住宅，轉(zhuǎn)換層以下為12m×12m大柱網(wǎng)，用于商業(yè)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(jié)構(gòu)體系，利用中部樓電梯間設(shè)置剪力墻作為抗側(cè)力構(gòu)件。

2轉(zhuǎn)換方案比選

由于上部剪力墻無法落地，需在三層樓面設(shè)置托墻轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，為追求合理的轉(zhuǎn)換體系，對(duì)轉(zhuǎn)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(gè)方案進(jìn)行了試算和比選，各方案轉(zhuǎn)換體系示意圖如圖2所示。采用混凝土轉(zhuǎn)換深梁進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換時(shí)，轉(zhuǎn)換梁的軸力較小，彎矩和剪力較大，即通過轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)點(diǎn)剪力過大，不易形成“強(qiáng)柱弱梁”的破壞機(jī)制，對(duì)抗震不利。同時(shí)，過大的轉(zhuǎn)換梁截面嚴(yán)重影響了建筑的凈高，自重大、配筋多都是此種轉(zhuǎn)換方案的劣勢(shì)。采用鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行體系轉(zhuǎn)換時(shí)，鋼骨的配置使得構(gòu)件的承載能力極大提高，能有效減小轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換柱的截面，同時(shí)抗剪承載力和延性的提高又改善了結(jié)構(gòu)的抗震性能。但鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)的施工較復(fù)雜，工序繁瑣，工期較長，既要求鋼結(jié)構(gòu)的制作與安裝，又要求支模、綁鋼筋，澆筑混凝土較困難，同時(shí)鋼骨混凝土中鋼材的用量較大，工程成本較高。空腹桁架由上弦桿、下弦桿以及直腹桿組成，采用此種桁架轉(zhuǎn)換體系時(shí)，結(jié)構(gòu)受力均勻、傳力明確，但所需直腹桿截面較大，且腹桿承擔(dān)的豎向荷載不能直接傳遞到框支柱，彎矩由上下弦桿承擔(dān)，與轉(zhuǎn)換深梁相比，上下弦抗彎縱筋與抗剪鋼筋總量相當(dāng)，經(jīng)濟(jì)效益不明顯［1］。另一方面，樓層的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和側(cè)向剛度在轉(zhuǎn)換層處豎向不連續(xù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的整體抗震性能不利。采用斜腹桁架體系轉(zhuǎn)換時(shí)，受力機(jī)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(gòu)件的受拉或受壓代替構(gòu)件的受彎受剪來承受上部結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換桁架間的空間可作為建筑的設(shè)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(shù)合理性、滿足建筑立面效果、綜合造價(jià)及施工的難易程度等方面優(yōu)選推薦普通混凝土斜腹桁架轉(zhuǎn)換方案。在該項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)評(píng)審會(huì)上，普通混凝土斜腹桁架轉(zhuǎn)換方案得到了省內(nèi)著名結(jié)構(gòu)專家的肯定，認(rèn)為此種結(jié)構(gòu)形式在湖南省內(nèi)尚屬率先采用，只要措施得當(dāng)應(yīng)是一種非常適合大跨度轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式。普通斜腹桁架轉(zhuǎn)換層平面布置圖如圖3所示，轉(zhuǎn)換部位示意圖如圖4所示。

3混凝土斜腹桁架轉(zhuǎn)換體系的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加強(qiáng)措施

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。1)雙向布置連續(xù)多跨雙向布置轉(zhuǎn)換桁架，能有效平衡和減少桿件內(nèi)力。2)剛度漸變?cè)瓌t沿結(jié)構(gòu)豎向，轉(zhuǎn)換層上下結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度需滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ3—2010)［4］(以下簡(jiǎn)稱高規(guī))第3.5.2條的要求。在結(jié)構(gòu)建模計(jì)算過程中首先要合理布置轉(zhuǎn)換層以下落地剪力墻，其次要合理布置轉(zhuǎn)換層以上標(biāo)準(zhǔn)層剪力墻，再調(diào)整桁架上弦、斜腹桿、直腹桿、下弦截面大小，必要時(shí)還需調(diào)整每榀桁架上弦之間雙向井字梁截面，使轉(zhuǎn)換層上下層剛度平穩(wěn)過渡并確保轉(zhuǎn)換層上部標(biāo)準(zhǔn)層(加強(qiáng)層)的剪力墻、連梁配筋正常，最后，通過反復(fù)調(diào)整與計(jì)算，使整個(gè)模型側(cè)向剛度滿足規(guī)范的要求。

3)轉(zhuǎn)換桁架兼設(shè)備層轉(zhuǎn)換桁架層層高4.75m，在結(jié)構(gòu)建模計(jì)算時(shí)，作為一個(gè)樓層考慮其側(cè)向剛度的變化，同時(shí)轉(zhuǎn)換桁架的內(nèi)部空間作為建筑的設(shè)備層使用，極大地提高了建筑空間的利用率。

4)強(qiáng)斜腹桿、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)從結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)方面看，轉(zhuǎn)換桁架的桿件都是軸心或小偏心受力構(gòu)件，節(jié)點(diǎn)區(qū)的受力與構(gòu)造較復(fù)雜，設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)易發(fā)生節(jié)點(diǎn)的脆性破壞，且框支柱節(jié)點(diǎn)處理較為復(fù)雜。因此，對(duì)轉(zhuǎn)換桁架的節(jié)點(diǎn)采用有限元軟件包絡(luò)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)的精心施工顯得同樣重要。

3.2加強(qiáng)措施。1)剪力墻底部加強(qiáng)部位按照高規(guī)［4］第10.2.2條要求，帶轉(zhuǎn)換層的高層建筑結(jié)構(gòu)，其剪力墻底部加強(qiáng)部位的高度應(yīng)從地下室頂板算起，宜取至轉(zhuǎn)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(qiáng)部位。

2)抗震性能化設(shè)計(jì)由于本工程屬于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，豎向不規(guī)則，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)［5］(以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》)第6.1.2條、《高規(guī)》第10.2.6條要求，為提高其抗震性能，對(duì)轉(zhuǎn)換層以下框支柱、剪力墻底部加強(qiáng)部位的剪力墻進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)，性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)為“中震彈性”。同時(shí)，本工程的轉(zhuǎn)換桁架、框支柱及底部加強(qiáng)部位的剪力墻其抗震等級(jí)由原二級(jí)提高到一級(jí)進(jìn)行抗震構(gòu)造措施的加強(qiáng)。3)樓板整體計(jì)算參數(shù)指標(biāo)時(shí)假定樓板是剛性樓板，為了復(fù)核計(jì)算桁架上下弦的軸力將對(duì)應(yīng)上下弦的樓板定義為彈性樓板，綜合二者結(jié)果進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。桁架上下弦對(duì)應(yīng)的樓板板厚均取180mm厚，雙層雙向通長鋼筋網(wǎng)，每層每方向鋼筋網(wǎng)的配筋率不小于0.3%。此處理方式有助于有效“分擔(dān)”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(jié)點(diǎn)處理在結(jié)構(gòu)建模時(shí)，桁架上下弦桿、斜腹桿及直腹桿應(yīng)分別按偏心受力構(gòu)件(按柱考慮)進(jìn)行承載力驗(yàn)算，應(yīng)避免腹桿的截面取值過大即軸壓比很小時(shí)而導(dǎo)致的剪切(脆性)破壞。在計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)斜腹桿、直腹桿的軸壓比控制在0.5～0．55時(shí)，其截面滿足承載力的要求，且配筋基本上是構(gòu)造配筋。斜腹桁架的弦桿及腹桿內(nèi)鋼筋設(shè)置較多，鋼筋的連接、穿插及錨固較復(fù)雜，以下幾處構(gòu)造問題需要精心處理:①下弦桿、斜腹桿與框支柱的節(jié)點(diǎn);②上弦桿、斜腹桿與直腹桿的節(jié)點(diǎn);③直腹桿與下弦桿的節(jié)點(diǎn)。以上節(jié)點(diǎn)按照有限元計(jì)算所得節(jié)點(diǎn)應(yīng)力云圖并參考屋架及桁架橋端部節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行配筋，構(gòu)造大樣如圖5所示。

4檢測(cè)結(jié)果

該項(xiàng)目自施工(2006年)開始，建設(shè)單位便委托長沙某科研單位將該工程列入檢測(cè)課題，定期對(duì)該工程的斜腹桁架轉(zhuǎn)換層的裂縫撓度進(jìn)行檢測(cè)。該項(xiàng)目竣工多年，每年每季的檢測(cè)結(jié)果都能完全滿足設(shè)計(jì)要求。

5結(jié)論

1)對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的方案比選，有利于獲得既滿足建筑功能要求，又安全經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案。本工程采用的混凝土斜腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)傳力明確、質(zhì)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(duì)混凝土斜腹桁架轉(zhuǎn)換層采用抗震性能化設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)換桁架各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，對(duì)上下弦對(duì)應(yīng)的樓板進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，既保證了結(jié)構(gòu)的安全性，又經(jīng)濟(jì)合理。3)該工程的長期檢測(cè)結(jié)果表明:當(dāng)轉(zhuǎn)換桁架布置合理、多模型計(jì)算包絡(luò)設(shè)計(jì)和構(gòu)造加強(qiáng)措施得當(dāng)時(shí)，混凝土斜腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)用于大跨度高層建筑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中是安全可靠的，可供以后類似工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)

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