某高層建筑中轉換層的結構設計與施工

徐政輝

(龍口市住房和規劃建設管理局，山東龍口 265701)

1 工程概況

該工程抗震設防烈度為8度，設計基本地震加速度0.20g，設計地震分組第一組，場地類別為Ⅲ類，為一地下2層、地上18層的辦公樓，總高64.8m，總建筑面積約為3萬m2。結構體系為鋼筋混凝土框架—剪力墻結構，安全等級為二級，設計使用年限為50年。該樓主體結構已于近期封頂。結構平面布置見圖1。沿A—A方向的結構剖面見圖2。

由圖2可以看出，由于建筑功能的要求，?軸上兩個核心筒之間的兩根柱在8層被斷掉，?軸上兩個核心筒之間的兩根柱在7，8，9層被斷掉，為承托上部第10層～第18層柱子和懸掛下部第7層的柱子，分別在8層和9層布置了一榀轉換桁架，分別稱為桁架A和桁架B，桁架形式見圖3。

桁架A和桁架B分別承托上部11層和10層荷載，另外桁架A下面還懸掛兩個框架柱吊住第7層梁板。桁架A和桁架B跨度均為15.6m，桁架高度取為3.6m(轉換層層高為3.6m)，桁架兩端分別坐落在兩側的同方向筒體墻上，鋼桁架與墻體內的內置鋼骨相連接。型鋼柱在墻端柱中共埋置3層(轉換層向上向下各延伸一層)，由于支撐桁架A的兩端墻體被電梯門洞打斷，鋼骨柱采用了如圖4所示的截面形式，并對電梯門洞處連梁進行了構造加強。

2 結構計算分析與轉換形式的選擇

2.1 轉換方案的分析

初選轉換結構方案時，考慮了以下幾種方案:

采用混凝土墻(或轉換大梁)，會形成轉換層和其下層剛度突變，不滿足規范要求，過大的剛度導致墻(或轉換大梁及其支座)分擔過多的地震力，而且墻在大震下進入彈塑性和塑性階段的應力分布不規律且延性較差。

桁架轉換尤其是鋼桁架則能夠很好的解決層剛度分布的問題。

桁架轉換與墻式(或梁式)轉換相比，具有可使用建筑空間大，受力狀態更明確，抗震性能好，自重小的特點。但鋼筋混凝土桁架節點的受力狀態和配筋構造復雜，容易發生剪切脆性破壞，尤其是當桁架轉換層的高度較小時斜壓腹桿形成超短柱，在地震作用時容易產生脆性坡壞，限制了鋼筋混凝土桁架轉換的應用。而鋼桁架則可以克服以上缺點，具有較好的抗震性能。

綜上所述，由于鋼桁架具有較高的承載力和較為合理的抗側剛度，采用鋼桁架不會形成轉換層和其下層剛度突變，能夠滿足規范要求(本工程轉換層抗側剛度與相鄰下層抗側剛度之比為1.21，滿足規范不大于1.43的要求);而且鋼桁架具有較好的延性，鋼桁架在工廠加工，質量容易得到保證。

本工程采用建筑結構空間有限元分析程序ETABS和SATWE兩種程序對結構進行計算，并對比分析。為得到鋼桁架的內力，計算中采用既能考慮面內剛度又能考慮面外剛度的殼單元，對與鋼桁架相連的樓板進行模擬，計算鋼桁架受力時考慮了水平雙向地震作用和豎向地震作用，并考慮了施工過程對鋼桁架和其上框架的影響。計算地震作用時除采用振型分解反應譜法，還對整體結構進行了彈性動力時程分析。設計中，除考慮施工加載模擬外，對轉換桁架還按照其實際的受荷面積進行復核。SATWE(括號內為ETABS計算結果)結構整體計算結果見表1。

表1 SATWE(括號內為ETABS計算結果)結構整體計算結果

X方向最大值層間位移角為1/1089，Y方向最大值層間位移角為1/1183。

轉換桁架在豎向荷載和水平地震作用下的內力見圖5，圖6(由于桁架沿中線對稱，只給出了半榀桁架內力)。

2.2 轉換桁架的桿件截面的確定

桁架高度確定后，存在一個合理選取桁架桿件截面，即合理選取轉換層剛度和承載力的問題。當轉換層剛度和承載力過大時，一方面引起地震反應和結構豎向剛度的突然增大，使轉換層上下層處于更加不利的受力狀態，而且不能滿足高規4.4.3條對上下層受剪承載力的要求。當轉換層剛度過小時，上部支撐部分的豎向構件與其他豎向構件之間(本工程兩側為沉降較小的墻體)可能出現較大的沉降差，從而產生明顯的次應力，導致其內力和配筋增加，不能形成有效的轉換。綜合考慮以上兩個因素，通過計算與對比分析確定了鋼桁架桿件截面，既使得上部框支部分的梁和柱不產生較大的次應力和過大的配筋率，又使得通過適當加強轉換層下部墻體水平筋后能夠滿足規范中上下層受剪承載力的比例限值要求。

為滿足鋼桁架上翼緣與其上支撐柱的連接構造問題，上弦桿的翼緣寬度取為300mm(柱寬為600mm)，柱縱筋可以繞過翼緣進行彎折錨固到框架梁中，避免了柱與上翼緣的縱筋連接問題，同時保證了節點區混凝土的澆筑質量。

綜合考慮以上因素，確定最終轉換桁架主要桿件截面為:

上弦桿為 H600×300×20×30，下弦桿為 H700×300×20×30，端部斜腹桿為H600×300×20×30，中間斜腹桿和直腹桿為H400×300×16×20，均為Q345C焊接工字鋼截面。

2.3 關于帶轉換桁架的層受剪承載力的計算

從理論上講，普通層的受剪承載力等于混凝土柱根據實際配筋量計算出來的受剪承載力之和，轉換層的受剪承載力等于混凝土柱根據實際配筋量計算出來的受剪承載力之和再加上鋼桁架腹桿受剪承載力。但實際上鋼桁架兩側固定在混凝土剪力墻上，而混凝土破壞的允許變形較小，鋼桁架達到受剪承載力需要很大的變形(經計算約為墻體開裂變形的3倍以上)，加之鋼桁架本身具有較高的承載力安全富余度，所以在鋼桁架未達到極限承載力之前，桁架兩端的混凝土會出現局部開裂從而引起結構的內力重分布，鋼桁架無法在本層混凝土墻柱達到受剪強度的同時發揮其極限受剪承載力(鋼桁架本身不破壞，這也正是設計意圖)，因此筆者認為程序SATWE給出的帶鋼桁架轉換層抗剪承載力之比，并非我們實際需要控制的層間抗剪承載力之比，實際設計中固然應該對轉換層下面一層或兩層進行水平抗剪配筋的加強，但可以不必完全按照上述理論公式去滿足高規4.4.3的規定，這樣會造成不必要的浪費，尤其是當鋼桁架采用Q345鋼材和具有較高的承載力富余度時。

本工程對轉換層下兩層墻體進行了水平筋配筋加強，轉換層相鄰下一層和轉換層受剪承載力之比為0.67，剛剛滿足規范中不小于0.65的要求，但此時的水平筋配置已比較保守。

3 構造設計

3.1 抗震加強措施

針對高位轉換采取了以下抗震加強措施:

1)轉換桁架上一層、其所在層以及其下各層與轉換桁架相連的墻體均按加強部位配筋。2)在轉換桁架的上下弦桿上表面與混凝土樓板結合處設置栓釘。目的是為了保證轉換桁架上下弦桿所在樓面水平力的可靠傳遞。3)對轉換層上下樓板板厚適當加厚，并配置了雙層雙向鋼筋，配筋率不小于0.3%。4)采用ETABS程序對轉換層及其上下層樓板采用細分的殼單元進行模擬，根據應力分布情況進行配筋加強，并且在轉換層樓板中局部設置暗梁以加強整體性和保證水平力的可靠傳遞。5)在轉換層支座內設置如圖4所示的截面形式的型鋼，型鋼伸入抗震墻300mm，墻體內水平筋與鋼桁架的隔板或連接耳板相焊接。使桁架與支撐墻體有可靠連接，保證在水平力作用下，桁架端部仍能與混凝土結構保持整體連接，不產生脫離破壞。

3.2 混凝土梁板柱與鋼桁架的連接構造措施

框架梁柱節點區施工困難是鋼骨混凝土最大的問題，框架梁主筋穿越鋼骨柱不方便，如處理不當，受力關鍵部位的節點區可能成為薄弱部位。本工程中與鋼骨柱翼緣相交的混凝土框架梁與鋼骨的連接采用了鋼筋主筋與鋼牛腿翼緣板相焊接的方式，與腹板相交的混凝土框架梁采用了縱筋穿過腹板或繞過翼緣的方式。

支撐在鋼桁架上弦桿的梁柱節點采取了如圖7所示的方式。

施工此部位時要保證上弦節點與上部柱的中心對齊，避免面外受力，充分發揮桁架的受力優勢。

懸掛在下翼緣的框架柱與鋼桁架下翼緣的連接采用了如圖8所示的方式。

框架柱的縱筋錨入框架梁中或與下翼緣工字鋼的隔板相焊接。

以上方式解決了型鋼桁架與混凝土梁板柱的連接問題，經施工檢驗是可行的。

4 施工

4.1 支護與拆模問題

施工中最初考慮支撐鋼桁架的腳手架待主體結構完全施工完畢后再拆除，這樣不僅影響下部非主體結構的施工，而且會增加施工費用。實際施工中采取待支撐鋼桁架的兩側墻體達到100%設計強度后即拆除腳手架，由鋼桁架來完全承擔上部結構的一期恒荷載，然后由鋼桁架和上部框架共同承受二期恒載和活荷載，通過施工過程分析，鋼桁架和上部框架能夠滿足受力和變形要求。

4.2 懸掛柱的設計與施工

為防止鋼桁架的豎向位移對懸掛柱帶來不利的次應力，在懸掛柱中部設置500mm寬的后澆塊，待主體結構施工完畢后再澆筑后澆塊，計算時通過對懸掛層梁柱形成的框架施加強迫位移的方式模擬二期恒載和活載引起的桁架變形對下部懸掛結構的影響。

4.3 施工監測

條件允許時可以在施工中進行鋼桁架個別桿件的應變測試和桁架的跨中位移測試，可以通過與計算結果對比來驗證計算模型的合理性，考察鋼桁架和混凝土框架以及兩側剪力墻的整體協同工作情況，并為施工過程提供支模、拆模的力學依據。本工程在施工分析時考慮了測試方案，但因時間等原因未能實施。

5 結語

在高層建筑中的轉換層、薄弱層等特殊部位的設計中，不僅要有統籌的概念設計考慮，還要有量化的分析，并結合行之有效的構造措施，才能最終保證結構的可靠性。

通過對本工程鋼桁架轉換層結構設計和施工的回顧，筆者認為此類工程需有以下問題值得關注:

1)采用合適的程序和有限元單元來模擬轉換體系與梁板柱的連接及轉換層樓板開洞部位，以得到準確的設計內力。2)選擇合理的轉換形式使得傳力更明確，特別是保證大震下轉換結構的可靠度。3)轉換桁架截面的選擇既要綜合考慮結構層間剛度和承載力的比例，又要兼顧上部結構因桁架位移引起的次內力和增加的配筋量。4)要采取行之有效的構造加強措施保證鋼桁架和主體混凝土結構的連接并提高轉換層及其上下層的結構延性。

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