型鋼混凝土桁架在轉換結構中的應用

文/黃永存、郭春艷 吉林省建苑設計集團有限公司 吉林 長春 130011

型鋼混凝土桁架在轉換結構中的應用

文/黃永存、郭春艷 吉林省建苑設計集團有限公司 吉林 長春 130011

本工程為地下1層，地上19層，地上第5層為結構轉換層。轉換結構采用型鋼混凝土桁架，其軸線跨度為27.0m。型鋼混凝土桁架轉換結構可以顯著緩和高層建筑質量和剛度的突變。轉換桁架構件為型鋼混凝土結構構件，充分發(fā)揮了型鋼與鋼筋混凝土結構各自的力學特性，型鋼外包鋼筋混凝土，可避免型鋼過早出現(xiàn)局部屈曲或整體失穩(wěn)，并具有耐火性好、節(jié)省鋼材的優(yōu)點；在混凝土中增加型鋼，具有承載力大、抗震性能好等優(yōu)點。型鋼混凝土桁架適用于跨度較大、承托層數(shù)較多的拖柱轉換結構，經濟適用、安全可靠。

轉換桁架；型鋼混凝土；剛度突變；剛度平衡支撐

1　工程概況

本工程為地下1層，地上19層的高層辦公樓。建筑結構高度為99.90m，結構形式為框架-剪力墻結構。建筑結構的抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度為0.05g，設計地震分組為第一組，抗震設防類別為標準設防類（丙類），框架和剪力墻的抗震等級為三級。建筑平面如圖1～3，轉換部位建筑剖面圖如圖4。一～四層平面中部為共享大廳，中庭在一～四層不能布置柱，需要在第五層做轉換層結構，承托五層以上的兩根柱，承托層數(shù)為14層。轉換層結構采用型鋼混凝土桁架，軸線跨度為27.0m，桁架高度為第5層層高，桁架總高度為6.10m。剪力墻平面布置均勻、對稱，而轉換桁架位于轉換層平面一側，屬于偏置，轉換層平面扭轉效應比較明顯。在與轉換桁架相對于剪力墻對稱的位置布置了平面剛度平衡支撐，有效減緩了轉換層的平面扭轉效應。

圖1　一～四層平面圖

圖2　五層（轉換層）平面圖

圖3　六層以上平面圖

圖4　剖面示意圖

2　轉換層結構形式

本工程中的轉換形式屬于托柱轉換。目前，常用的托柱轉換結構形式主要有實腹梁式轉換和桁架轉換。實腹梁式轉換層結構是目前建筑結構中實現(xiàn)垂直轉換最常用的結構形式，由于其傳力途徑采用“柱-轉換梁-柱（墻）”的形式，具有傳力直接、明確的優(yōu)點，便于工程計算、分析和設計。實腹梁式轉換的形式有多種，從跨數(shù)上，可分為單跨及多跨；從上部結構形式上，可分為托墻和托柱；從轉換梁結構采用材料上，又可分為鋼筋混凝土（R.C）、預應力混凝土（P.C）和鋼骨混凝土（型鋼混凝土S.R.C）、鋼結構（S）。在托柱形式的梁式轉換結構中，當轉換梁跨度很大、承托層數(shù)較多時，由于轉換梁承托上部框架柱傳遞下來的豎向荷載將會很大，使得轉換梁的截面尺寸大，配筋多，梁柱節(jié)點區(qū)縱向受力鋼筋錨固困難。大跨度、承托層數(shù)較多的實腹轉換梁在理論上可以實現(xiàn)，但實際設計中卻不可行。首先，采用實腹轉換梁不利于大型管道等設備系統(tǒng)的布置，不利于該轉換層建筑空間的充分利用；其次，實腹梁轉換構件截面尺寸大、自重大、剛度比較大，轉換梁對轉換層平面的剛度影響比較明顯。當轉換梁偏置時，由于轉換梁剛度的影響，轉換層平面的扭轉效應更為突出。同時，實腹梁轉換容易引起轉換層上、下剛度突變，對結構抗震不利。另外，實腹梁轉換梁的截面尺寸很大，存在明顯的強梁弱柱問題，轉換結構關鍵部位抗震性能較差。實腹梁式轉換結構存在的問題一般很難解決，因此，在大跨度、承托層數(shù)較多的托柱轉換結構中，需要尋找新的轉換結構形式來替代實腹梁式轉換。

理論和工程實踐表明，采用單層或疊層桁架結構是作為托柱轉換層結構比較可行的方案。一方面，從

結構的傳力方式來看，轉換桁架具有傳力明確，傳力途徑清楚的特點。另一方面，轉換桁架不僅使開洞與設置設備管道具備條件，而且開洞的位置和大小都有很大的靈活性，使充分利用轉換層的建筑空間成為可能。再者，從經濟指標來看，采用轉換桁架其鋼材和混凝土的用量比采用轉換梁要少。桁架轉換層的節(jié)間空隙采用輕質建筑材料填充，有利于減輕結構的自重。與實腹梁轉換相比，桁架轉換有其突出的特點，轉換桁架的抗側力剛度小，桁架轉換上、下層剛度突變不明顯。也就是說，具有桁架轉換的高層建筑其質量和剛度的突變較緩和，地震反應小；當轉換結構構件在結構平面中偏置時，桁架轉換層的平面扭轉效應減弱。與實腹轉換梁相比，轉換桁架與轉換柱連接的桿件截面尺寸與其轉換柱的截面尺寸相當，很好的解決了轉換結構中強梁（轉換梁）弱柱（轉換柱）的問題。用作轉換構件的桁架一般有兩種：空腹桁架和斜腹桿桁架。除上下弦桿外，僅有豎腹桿桁架的稱空腹桁架；而只要有斜腹桿，不管有沒有豎腹桿，即稱為斜腹桿桁架。一般情況下，當跨度不大于15m時，采用空腹轉換桁架較為經濟合理（預應力空腹轉換桁架可適當加大），當跨度大于15m時，建議采用斜腹桿桁架。斜腹桿桁架通過斜腹桿改變豎向荷載的傳力方向和途徑，使得上、下弦桿的彎矩和剪力都有較大幅度的減小，且豎向剛度有較大的提高，有利于控制轉換桁架的豎向位移。本工程地上19層，需要轉換的層數(shù)為14層，轉換層的層高6.10m，從荷載級別及受力分析來看，設計成單層斜腹桿轉換桁架可以很好的滿足工程的要求。

本工程剪力墻平面布置均勻、基本對稱，而轉換桁架位于轉換層平面一側，屬于嚴重偏置，轉換層平面的地震扭轉效應比較明顯。為了解決此問題，在轉換層平面中布置平面剛度平衡支撐。剛度平衡支撐布置位置為轉換桁架相對剪力墻對稱位置居中布置，剛度平衡支撐采用型鋼混凝土交叉支撐。

為了選擇合理的轉換層結構布置方案，在實際工程設計時，采用北京邁達斯技術有限公司的m idas Building軟件對實腹梁轉換和桁架轉換的結構進行分析對比，對轉換結構方案進行優(yōu)化。對比分析時，建立4種計算模型進行分析， 在4種計算模型中除轉換層以外其它樓層所有模型數(shù)據(jù)均相同。（1）實腹梁式轉換，轉換梁高為轉換層整層高度，在轉換梁相對剪力墻對稱位置不布置剛度平衡支撐；（2）實腹梁式轉換，轉換梁高為轉換層整層高度，在轉換梁相對剪力墻對稱位置布置剛度平衡支撐；（3）桁架轉換，轉換桁架高度為轉換層整層高度，在轉換梁相對剪力墻對稱位置不布置剛度平衡支撐；（4）桁架轉換，轉換桁架高度為轉換層整層高度，在轉換梁相對剪力墻對稱位置布置剛度平衡支撐。以上4種計算模型完全按工程實際數(shù)據(jù)建立、計算、分析。通過計算分析，對4種模型的轉換層上下剛度、結構在轉換層的層間位移、結構在轉換層的最大位移比等進行匯總、比對、分析。表1為4種計算模型的主要計算結果匯總。

4種計算模型主要計算結果 表1

從表1的分析計算結果可以明顯看出：（1）轉換桁架的剛度明顯小于實腹梁式轉換，與實腹梁式轉換相比，桁架轉換的抗側移剛度減小將近20%，轉換層與下一層的樓層側向剛度比可以充分體現(xiàn)實腹梁式轉換與桁架轉換的轉換層平面抗側移剛度的不同。從轉換層層抗側剛度來看，轉換結構構件優(yōu)先選擇桁架轉換。（2）位移比的結果可以充分體現(xiàn)剛度平衡支撐的作用。由于布置了剛度平衡支撐，轉換層的抗側移剛度有所增加，轉換層的最大層間位移角的計算結果變化就是剛度平衡支撐所引起的。從表1的位移比結果可以看出，由于實腹梁式轉換構件的剛度偏大，剛度平衡支撐的作用不是特別明顯；而在桁架轉換中，平面剛度平衡支撐的作用顯著。在轉換層抗側移剛度增大、轉換層最大層間位移角減小的前提下，轉換層的扭轉位移比明顯減小，剛度平衡支撐顯著減緩了轉換層的扭轉效應，從本質上提高了轉換層及整個結構的抗震性能。

經過計算、分析、對比，本工程采用單層斜腹桿桁架作為轉換結構構件，同時布置剛度平衡支撐來解決轉換層中由于轉換結構構件平面偏置引起的平面扭轉效應明顯的問題。

3　轉換桁架桿件布置形式

在作用荷載大小、跨度尺寸、桁架高度（矢高）不變的情況下，當桁架的桿件布置形式不同時，桁架各桿件的內力分布是不同的，有時差別較大。由于轉換桁架的跨度較大，桁架桿件截面尺寸相對較大，桿件的內力也很大，轉換桁架各桿件若按鉸接設計，很難實現(xiàn)，所以，將轉換桁架設計成剛性桁架。在剛性桁架中，各桿件之間為剛性連接，相當于在鉸接桁架的基礎上，在連接節(jié)點處增加了限制轉動的多余約束，使靜定結構的鉸接桁架轉化成超靜定結構的剛性桁架。由于轉換桁架桿件截面較大，能夠承受一定的彎矩和剪力，按剛性桁架設計可以顯著提高桁架整體承載能力和抗震性能，有效提高轉換結構的可靠度。圖5為8種桁架桿件布置方案。通過對布置方案的桁架桿件內力計算分析，桁架以軸力控制為主，彎矩、剪力為非控制因素。所以，在選擇桁架桿件布置方案時以桁架軸力作為主要參數(shù)進行分析。表2為各布置

圖5　桁架桿件布置方案

方案桁架軸力統(tǒng)計表。對表2的軸力大小進行統(tǒng)計、分析，上弦桿壓力差值約為5%；下弦桿拉力差值約為6%；腹桿差別較大，腹桿的壓力差值約為24%。軸力

桁架內力統(tǒng)計 （KN） 表2

絕對值的大小順序為：上弦桿大于下弦桿，下弦桿大于腹桿。通過對不同桁架桿件布置形式的軸力統(tǒng)計分析，得出如下結論： ①桁架上下弦桿的軸力相對較大，是桁架控制軸力； ②桁架節(jié)間腹桿的數(shù)量對上下弦桿的軸力最大值的影響不大； ③桁架節(jié)間腹桿的數(shù)量影響腹桿軸力的大小和分布，桁架腹桿的軸力相對于弦桿較小，不是控制軸力，節(jié)間腹桿的數(shù)量沒有必要布置太多，滿足桁架基本體系的要求即可； ④下承式桁架的抗震性能比上承式桁架要優(yōu)越，下承式桁架支座處以軸向壓力為主，傳力直接，容易設計成塑性結構構件，支座處桿件的受力方式與支座處柱類似，型鋼混凝土結構構件以壓彎為主，起到承上啟下的作用。而上承式桁架在支座處以桿件受拉為主，不容易設計成塑性結構構件； ⑤對稱型節(jié)點構造簡單、結構桿件種類少，承載能力高和抗震性能優(yōu)越。

在選擇桁架桿件布置方案時，首先要滿足結構設計的基本條件：⑴桁架桿件內力分布合理；⑵轉換桁架的傳力途徑簡單、直接；⑶節(jié)點受力合理，節(jié)點構造容易實現(xiàn)；⑷構件類型少，施工方便。 通過對不同桁架桿件布置方案的內力分析、比較，方案（7）屬于下承式桁架，桁架腹桿數(shù)量適當，桿件規(guī)格少，節(jié)點構造對稱、簡單，桁架內力分布比較合理，傳力途經明確，桁架節(jié)點處都有平面梁作為桁架的平面外支撐點。選擇方案（7）作為轉換桁架的桿件布置方案。

4　轉換桁架的桿件材料

桁架結構的桿件材料主要有四種：（1）鋼筋混凝土（R.C）：鋼筋混凝土是比較常用的結構構件材料，具有一般的結構材料不可替代的優(yōu)越性，但是對于本工程的轉換桁架來說，由于桁架跨度大，承托荷載重，普通鋼筋混凝土構件很難滿足設計要求。（2）預應力鋼筋混凝土（P.C）：一般在桁架下弦桿施加預應力，可提高下弦桿在拉力較大時的抗裂性能，同時可顯著提高桁架的承載能力。在大跨度、重荷載的轉換桁架中，上、下弦桿及腹桿的軸力都比很大，一般預應力鋼筋混凝土構件也很難滿足，即使勉強達到要求，截面尺寸也會很大。（3）鋼材（S，型鋼）：鋼材是比較理想的建筑結構材料，質地均勻，各向同性，強度高，重量輕，施工質量好，在有些情況下無法用其它建筑結構材料代替，如重工業(yè)廠房、超高層建筑、超大跨度結構、高聳結構等等。以H型鋼或焊接工字鋼作用轉換桁架的桿件，桿件及節(jié)點在工廠加工，施工現(xiàn)場拼裝，施工方便，施工進度快。由于鋼材力學性能的不斷改善以及鋼結構構件加工工藝的不斷更新和發(fā)展，型鋼桁架比較容易滿足轉換桁架的設計要求。而且型鋼桁架的抗震性能優(yōu)越，是比較理想的彈塑性結構構件。由于本工程轉換桁架的桿件內力較大，大部分桿件（除下弦桿外）以受壓為主，這對鋼結構構件來說是很不利的，在軸向壓力較大時型鋼構件很容易失穩(wěn)（主要是局部失穩(wěn)），為了滿足鋼結構構件穩(wěn)定性的要求，有時桿件的截面尺寸和桿件板材的厚度會很大，用鋼量明顯增加，不經濟，而且高層建筑的耐火要求較高，鋼結構有一定的耐熱性但不防火。為了提高鋼材的耐火性能，要采取一些防火、耐火措施，其投入成本也很高。（4）型鋼混凝土（S.R.C）：型鋼混凝土是在鋼筋混凝土和鋼結構的基礎上發(fā)展起來的組合結構構件形式，型鋼混凝土結構構件可以充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢，兩種材料組合后的整體工作性能要明顯優(yōu)于二者性能的簡單疊加。與鋼筋混凝土結構構件相比，型鋼混凝土結構構件截面尺寸小，自重輕，增大有效使用空間，減小地震作用，節(jié)約模板，特別是型鋼混凝土組合結構構件具有較好的延性。與鋼結構相比，型鋼混凝土結構構件用鋼量少，降低造價，剛度大，穩(wěn)定性和整體性高，耐火性和耐久性優(yōu)越。理論分析和災害實踐表明，單純的鋼筋混凝土結構和單純的鋼結構的抗震能力和耐久性均低于型鋼混凝土組合結構。由于外包混凝土的存在，解決了鋼結構構件在壓應力作用下容易失穩(wěn)的問題；由于鋼筋混凝土抗壓性能優(yōu)越，鋼與鋼筋混凝土組合的型鋼混凝土結構構件的抗壓承載力很高；由于鋼筋混凝土耐火性能好，外包鋼筋混凝土對鋼結構構件起到了保護作用，解決了鋼材耐火性能差的問題，提高了鋼結構構件的耐久性能。型鋼混凝土桁架承載能力高，抗震性能優(yōu)越，耐火、耐久性能好，適用于中、大跨度結構屋蓋結構及轉換結構。以減輕結構自重、提高轉換桁架的承載能力和抗震性能、改善轉換桁架的耐久性、防火性以及降低成本為出發(fā)點，本工程最后選用型鋼混凝土作為轉換桁架的結構桿件材料。

鋼管（矩形）混凝土桁架結構的承載能力、抗震性能等均高于型鋼（H、工型鋼）混凝土桁架結構，但是鋼管混凝土桁架節(jié)點處相交桿件較多，同時又有斜向桿件，鋼管內混凝土質量（密實度）不容易達到要求，尤其是節(jié)點處的混凝土質量不容易滿足要求，施工難度大。考慮到當?shù)厥┕り犖榈氖┕ぜ夹g能力及施工現(xiàn)場條件，沒有選用鋼管混凝土桁架結構。當混凝土的性能不斷改善和提高，施工技術達到一定水平時，鋼管混凝土桁架將是相對最優(yōu)的轉換結構桿件形式。

5型鋼混凝土轉換桁架中的型鋼骨架承受轉換結構層結構施工階段的荷載

本工程轉換層位于地上第五層，采用傳統(tǒng)的施工工藝，地上一～四層將采用滿堂腳手架來支持轉換層結構的施工荷載，地下室頂板承受上部腳手架傳來的轉換層施工荷載。為了承擔施工荷載，需加大地下室頂板處的結構構件的豎向承載力。當采用型鋼混凝土轉換桁架時，由于轉換桁架的承載能力很高，型鋼混凝土轉換桁架內的鋼骨架具有很高的承載能力，可以承受轉換層施工階段的荷載，可將模板懸掛在鋼骨架上，省去腳手架支撐，降低地下室結構的建造成本，加快施工速度，縮短施工周期。

6結論

（1）本工程屬于高位、大跨度轉換結構，其承托層數(shù)與跨度在現(xiàn)有的建筑中都比較突出。轉換結構采用型鋼混凝土（S.R.C）桁架。轉換結構構件的強度和剛度往往是相互關聯(lián)的，但對于結構抗震來說又是矛盾的。為了提高豎向承載能力，結構構件的截面將會比較大，從而造成轉換構件的剛度也會明顯增大，轉換構件的剛度增大往往又會對轉換層的抗震性能產生明顯的不利影響。型鋼混凝土轉換桁架的抗側剛度明顯小于實腹梁式轉換，而且其承載能力和抗震性能又明顯優(yōu)于實腹梁式轉換結構，有效的解決了轉換結構結設計中剛度和強度的矛盾問題。型鋼混凝土桁架適用于跨度較大、承托層數(shù)較多的轉換結構，經濟適用、安全可靠。

（2）型鋼混凝土構件的內部型鋼與外包鋼筋混凝土部分形成整體，共同受力，其受力性能優(yōu)于型鋼部分和鋼筋混凝土部分的簡單疊加。充分發(fā)揮了型鋼與鋼筋混凝土結構各自的特點。型鋼外包鋼筋混凝土，可避免型鋼過早出現(xiàn)局部屈曲或整體失穩(wěn)，并具有耐火性好、節(jié)省鋼材的優(yōu)點；在混凝土中增加型鋼，承載力大、抗震性能好，在增強結構構件承載能力的同時，顯著減小結構構件的截面尺寸，降低轉換桁架的整體剛度。

（3）本工程轉換結構在轉換層偏置，轉換層扭轉效應明顯。在轉換層結構平面中設置剛度平衡支撐，有效的解決了轉換層扭轉效應明顯問題。剛度平衡支撐顯著提高了轉換層結構及整體結構的抗震性能。

（4）在轉換結構設計時，搜集了大量資料，從理論和工程實踐兩個方面入手，了解、分析、研究轉換結構的設計方法。根據(jù)不同形式的轉換層結構的特點和適用范圍，選擇適合本工程實際的斜腹桿桁架作為轉換結構構件；依據(jù)計算分析得到的不同桁架布置形式的內力特征，應用混凝土、鋼結構、型鋼混凝土等建筑結構材料的力學特性，并與工程的實際情況相結合，選擇型鋼混凝土作為轉換桁架結構桿件的材料。每一個工程項目的結構設計都有其特有的自身特點，我們在進行結構設計過程中，必須要充分了解工程自身的結構特點， 然后應用已有的建筑結構設計理論，并參考已有的工程實際案例，選用合理的結構方案，依據(jù)結構本身的力學特性來選擇適用的結構材料。

［1］聶建國.鋼-混凝土組合結構［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005.3（2011.10重印）.

［2］ 趙國藩.高等鋼筋混凝土結構學［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.8（2011.6重印）.

［3］唐興榮.高層建筑轉換層結構設計與施工［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［4］張維斌.鋼筋混凝土帶轉換層結構設計釋疑及工程實例［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.12（2011.10沖印）.

［5］JGJ3-2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程［S］.北京-中國建筑工業(yè)出版社，2011.

Application of steelrein forced concrete truss in trans ferstructure

Huang Yongcun、Guo Chunyan Jilin Province Jian Yuan design g roupco. LTD， Changchun，130011

This projectcon tains one story unde rground and 19 stories above ground. Thes tructural trans ferfloor is on the fifth floor. The trans fers truc tu re adop ts steelrein fo rced concrete trans fertruss with 27 metersaxis span. Steelrein forcedconcre tetrus strans fer structure cansign ifican tlyease them ass and stiffness muta tion of high-rise build ing. That trans fertruss member is struc tu ral member of the steelrein fo rced concrete fully exe rts the mechanica lperform an ce of the steel and rein forced concre teres pectivly. Steelen case drein forced concre tecan avoid premature local buck lingor globalins tability of steel，and possesses the advan tages of firere tardancy， saving steel. Addings teelin the concre te has the advan tages of high bearing capacity， better seismic behavior and so on. Steelre in fo rced concre tetruss is suitable for column trans form ations truc ture with large spanand supporting multiplelaye rsand is economic， applicable， sa fe， and re liable.

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