某高層混凝土空腹桁架轉換結構方案選型對比

摘要：本文結合建筑實例分析了高層混凝土空腹桁架轉換結構兩種結構方案的特點，以期能夠為相關的實踐提供些許經驗參考。

關鍵詞：高層建筑 混凝土空腹桁架轉換結構 方案對比

高層建筑由于底部或某些樓層局部大空間以及底層大出入口建筑功能的需要，在豎向結構改變的樓層設置轉換層已成為現代高層建筑結構發展的趨勢之一，其中，梁式轉換層以傳力直接、明確和傳力途徑清楚等優點得到廣泛的應用，是目前最常用的一種結構轉換形式。

由于現代建筑朝著高層和超高層形式發展，相應轉換層結構中轉換構件承托的層數也增多，導致豎向荷載也很大，轉換梁雖然具有受力性能好、工作可靠、構造簡單和施工方便等優點，結構計算也相對容易，但為了保證轉換層具有足夠的承載力和剛度，轉換梁的截面尺寸往往很大，由于梁很強，處理不好有可能使轉換梁與轉換柱形成的框架出現“強梁弱柱”的現象，對結構的抗震不利，同時，又由于建筑上對層高及使用空間的種種要求和限制，使得工程應用中型鋼（鋼骨）混凝土、預應力混凝土、桁架等新材料新形式的引入勢在必行，下面通過一工程實例進行分析對比。

一、工程概況

本文選取的工程實例為一酒店工程，該酒店的地上建筑面積為36000平方米，總高度為76.80米，地上總層數是19層，屬于高層建筑類型。地面以上的1層～4層是裙房部分，主要使用功能是酒店會所，每層的高度為5.5米，從5層往上至19層是酒店的客房部，每一層的高度為3.6米。該工程采用帶轉換層的鋼筋混凝土框架—抗震墻結構體系，屬于復雜高層建筑結構，樓面結構采用混凝土梁板體系。抗震設防烈度為7度（設計基本地震加速度0.1g），設計地震分組為第一組，建筑場地類別為IV類，抗震設防類別為丙類，框架和剪力墻的抗震等級均為二級。

該酒店建筑三層布置有大宴會廳，為滿足其大空間功能要求，其中的兩根框架柱被抽掉，形成跨度為3x8.2m=24.6m的大柱距，在被抽柱的上部設置型鋼（鋼骨）混凝土空腹桁架進行結構的局部托柱轉換，以承托上部柱子傳來的豎向荷載，與型鋼混凝土轉換桁架兩端相連接的框架柱自桁架上弦桿以下部分亦采用型鋼（鋼骨）混凝土柱。轉換結構形式方案比選分析如下。

二、方案對比

由于本酒店三四層相關部位使用功能的要求和層高的限制，已無法采用傳統的大截面尺寸實腹式轉換梁（包括型鋼和預應力混凝土實腹轉換梁）進行結構轉換，需要采用桁架轉換的方式進行處理。與實腹梁轉換相比，桁架轉換傳力明確、途徑清楚，桁架轉換上、下層質量分布相對均勻，剛度突變程度也較小，地震反應要比實腹梁小得多，而且自重大大減輕，并能有效利用建筑空間。

轉換桁架可采用等節間空腹桁架、不等節間空腹桁架、混合空腹桁架、斜桿桁架、疊層桁架等形式，其高度一般為建筑物的一個樓層高度（單層桁架）或多個樓層高度（疊層桁架）。

等節間空腹桁架的受力特征是第一節間桿件的彎矩和剪力較大，使弦桿截面較大，弦桿節間最大彎矩值與最小彎矩值之比高達數倍，局部桿件內力分布不合理，解決這一問題的有效辦法可采用不等節間空腹桁架和混合空腹桁架。

不等節間空腹桁架由于通過增大中間節間的跨度和減小端節間的跨度來增大中間弦桿的內力和減小端部節間桿件的內力，使得弦桿內力的分布比較均勻。

混合空腹桁架由于端部設置了斜腹桿，使豎向荷載的傳力方向和位置發生了變化，部分豎向荷載直接傳給支座或靠近支座，使得端部上、下弦桿的彎矩和剪力均較大幅度減小，但斜腹桿以及上、下弦桿中軸力較大，截面主要由軸力控制，混合空腹桁架設置斜腹桿后，桁架的豎向剛度有較大幅度的提高，可作為荷載重、跨度大的豎向轉換構件。

疊層空腹桁架的受力特征是弦桿彎矩和剪力的大小與各弦桿之間的相對剛度密切相關，豎向荷載的分擔與各層弦桿的剛度大小有關，受力特點是下弦桿出現最大拉力，而上弦桿的壓力最大，中弦桿的軸力相對較小。

疊層混合空腹桁架由于設置了一定數量的斜腹桿，改變了上部豎向荷載的傳力途徑，將部分豎向荷載卸給靠近支座的豎腹桿，直接傳給支座，大幅度降低了各層弦桿的彎矩和剪力，但增加了斜腹桿和弦桿的軸力。

單層或疊層桁架的工作機理是由多根截面較大的弦桿（梁）共同承擔上部豎向荷載的工作機制，斜腹桿改變了豎向荷載的傳力方向和位置，起卸載作用，類似于拱傳力。但當轉換桁架的跨度和承擔的豎向荷載較大時，勢必會造成下弦桿的軸力進一步增大，采用普通鋼筋混凝土不能滿足轉換結構構件抗裂要求時，一般可以考慮在受拉弦桿中采用預應力混凝土，形成預應力混凝土桁架結構或者可以考慮轉換桁架采用型鋼（鋼骨）混凝土組合結構。

鑒于本酒店轉換層及相鄰上部樓層轉換桁架相關部位建筑功能要求，帶斜腹桿的混合空腹桁架也無法使用，上部結構柱網定位決定了轉換桁架只能采用等節間空腹桁架，由于轉換桁架跨度已達24米，采用普通鋼筋混凝土等節間空腹桁架會因端節間彎矩和剪力過大造成弦桿截面過大而影響使用要求且不經濟，同時桁架沿豎向撓度控制與弦桿裂縫控制也較難滿足規范要求。

兩種轉換結構方案均采用了兩種空間分析程序（SATWE和ETABS）進行結構計算分析比較，分別采用考慮扭轉耦聯的振型分解反應譜法和彈性時程分析法計算結構響應。采用SATWE程序計算時，振型數取為15，采用ETABS程序計算時，振型數取為40，各振型貢獻按CQC組合。對3、4層存在轉換桁架的2個樓層，采用剛性樓板、局部彈性樓板，整層彈性樓板和桁架部分無樓板多種假定進行整體分析，以考慮樓板剛度變化對水平力分配的影響。彈性時程分析所取地面運動最大加速度為35gal，選取El-Centro 地震加速度時程（南北），Pasadena地震加速度時程和某市人工加速度時程SHM2，共三條地震加速度時程。

兩個方案的兩種計算方法所顯示的計算結果，結構動力特性第一和第二模態均為平動，第三模態為轉動，扭轉周期比滿足規范0.85的要求，有效質量系數滿足90%的要求。反應譜法計算得到的結構最大層間位移角、位移比、基底剪重比均能滿足規范要求。分析表明，地震作用下結構的層剪力沿豎向的分布情況無明顯突變，滿足規范要求。結構剛度比計算結果表明側向剛度變化和轉換層上、下結構側向剛度符合規范有關規定。時程法計算結果表明結構最大層間位移角、位移比、基底剪重比均能滿足要求，兩個電算程序計算所得時程法結構底部剪力與反應譜法結構底部剪力之比，其單條時程曲線計算結果有的小于65%，而3條時程曲線計算平均值均大于80%。

綜合上述計算分析，預應力混凝土桁架和型鋼（鋼骨）混凝土組合結構桁架兩種轉換結構方案雖均能滿足各項要求，但從抗震性能和使用功能要求來講，采用型鋼（鋼骨）混凝土組合結構桁架及桁架兩端相連接的框架柱也采用型鋼（鋼骨）混凝土柱更適用于本酒店工程，可充分發揮型鋼混凝土構件承載力高、剛度大、延性好、塑性變形能力強的特點，使得轉換桁架在剛度、抗裂度及節點受剪承載力提高的同時減小構件截面，更好滿足建筑功能的需要。

三、總結

綜上所述，轉換桁架的選型原則歸納如下，當轉換結構構件的跨度和承托的豎向荷載不大時，可選用等節間空腹桁架；若其跨度或承托的豎向荷載較大，尤其端節間弦桿彎矩和剪力很大時，可選用不等節間空腹桁架或混合空腹桁架；當轉換層高度小于層高時，選用單層轉換桁架；當轉換層高度超過一層時，選用疊層轉換桁架；當轉換桁架的受拉弦桿不滿足抗裂要求時，選用預應力混凝土桁架或型鋼（鋼骨）混凝土桁架。本工程轉換層選用型鋼混凝土桁架和型鋼混凝土柱以同時滿足抗震和使用功能的要求。