型鋼混凝土空腹桁架轉換結構在高層建筑中的應用分析

黃祖華

（廣西中澤建筑設計有限公司 廣西南寧 530011）

前言

高層與超高層建筑日益成為現代城市化發展的重要因素，并且具備日益復雜的結構造型及日益多元的建筑功能。空腹桁架結構轉換體系可以作為建筑上部結構的有效承托，又被稱作維氏桁架，主要是由直腹桿、上弦及下弦桿共同構成，具備一定的彎曲變形效果，可以作為建筑桁架結構來使用，保證建筑結構的穩定性。

1 工程案例

本文所提出的工程案例，是A市工業產業基地，該基地建筑總體面積超過50000m2，包括一個主體建筑及一個副樓。其中，主體建筑含有1層地下空間及11層地上空間，地上建筑整體高度為54.5m，平面規格為99×31m，框架柱網為9×8.5m，建筑剪力墻厚度沿柱自下而上分段下降，最大剪力墻厚度為400mm，最小剪力墻厚度為300mm，混凝土強度等級也是自下而上發生變化，最大強度為C50，最小強度為C40。主體建筑底層的普通框架柱截面為800×800mm。本文所提出的工程案例，其主體建筑抗震設防類比為丙類，抗震設防烈度為Ⅵ度，建筑結構為框架-剪力墻結構。

工程要求主體建筑入口空間單體面積較大，涵蓋1～3層，抽出其中2根框架柱，采用轉換桁架。建筑結構設計中，出于保障建筑立面及平面設計要求，采用27m長，層高4.5m的雙疊層空腹桁架來實現對于上部結構荷載的承托。框支柱采用具備良好性能的型鋼混凝土材料，以工程施工技術應用規范為基礎強化建筑的抗爭性能。同時采用型鋼混凝土，以拉彎及壓彎構件確定混凝土截面，并設計配筋。建筑以轉換層為分水嶺，轉換層上部的結構抗震等級為4級，轉換層下部的結構抗震等級為3級。框支柱及轉換桁架的抗震等級為2級，建筑整體鋼筋混凝土剪力墻結構抗震等級為3級。

2 結構選型與力學分析

對該建筑進行結構選型轉換，并分析其力學性能。本工程主體結構轉換跨度為27m，轉換層需要承載較大的上部負荷，因此不可以采用常見的寬扁梁轉換方式，而是采用桁架轉換方式，滿足建筑結構轉換的傳力明確、靈活布置等要求，在受力方面更加科學合理。經過計算與分析，本次設計所選取的空腹桁架為層高4.5m的雙疊層空腹桁架，采用型鋼混凝土作為桿件，保證轉換結構的延展性與抗震效果[1]。

疊層空腹桁架的組成包括弦桿與直腹桿，桿件具備較大的軸力，并可以起到較好的承受彎矩及剪力的效果。空腹桁架所具有的上部水平桿件及下部水平桿件在軸向壓力及拉力方面具備優越性，但轉換結構的布置形式會影響軸向壓力值與拉力值。荷載作用的影響下，空腹桁架具備均勻的受力與明確的傳力結構，在實際工程中的使用，還可以減少成本投入，因此而具備良好的經濟效益。疊層空腹桁架結構的桿件具備較小的截面積，因此柱結構也具備較強的承載力、延展性與耗能能力，具備極佳的抗震效果。

3 結構整體的計算分析

圖1 恒載作用下的空腹桁架結構彎矩、剪力與軸力

轉換結構的設計，并不具備連續的上下層構件，豎向剛度存在變動，樓層抗側剛度變化，導致本高層建筑動力反應，并造成局部破壞。在實際的計算與設計中，要充分明確轉換結構的重要性，并從整體的角度對其加以計算與分析。本次結構設計所采用的軟件包括SATWE及ETABS，設計方法為扭轉耦聯振型分解方式，從重力二階效應及雙向地震作用兩個角度加以考量。對建筑整體結構加以計算時，也要計算地下一層建筑空間。

本次建筑轉換結構層設計中，各層結構側向剛度超過相鄰上層側向剛度的70%，高于三層相鄰層側向剛度平均值的80%，因此其剛度比合理，不存在明顯結構軟弱層。在三層設計轉換層，基于建筑結構設計規程中的具體要求，確定結構上部與下部的抗側剛度比，即，抗側剛度比越接近1則越合理。采用彎剪剛度計算方法，確定X方向及Y方向剛度比，分別為0.8596和0.8721，抗側剛度比低于1.3，滿足設計規程的具體要求。

三層以上的轉換層設計，基于設計規程的具體要求，其側向剛度要超過相鄰上部樓層側向剛度的60%，采用層間剪力比層間位移算法，確定轉換層自身的側向剛度及其相鄰上層側向剛度比，從X方向及Y方向計算分別為1.14與1.25，超過60%，滿足設計規程的具體要求[2]。

空腹桁架結構構件所采用的材料為型鋼混凝土，通過型鋼混凝土強化結構抗震等級，將其提高至2級，并控制好框支柱軸壓比，盡量使軸壓比小于0.7，以拉彎級壓彎構件為參考設計桁架截面配筋。型鋼混凝土構建中，采用強屈比超過1.2的鋼骨材料，并合理控制其鋼材屈服強度變化值。轉換層及其相鄰下層地震力，以結構薄弱層地震力為基礎進行適當放大，可以為后者的1.15倍左右，并且結合空腹轉換桁架實現對于框支柱地震內力的放大，可以為薄弱層的1.25倍。

4 結構構件與節點設計

型鋼混凝土構件在空腹桁架轉換結構中的使用具有獨特性，出于保障彎矩傳遞有效性的考量，設置與空腹桁架相鄰的普通混凝土梁，在混凝土梁內部及轉換桁架上部混凝土柱中設置相應鋼骨材料。轉換桁架兩側的轉換柱中采用延伸到基礎底板的型鋼材料。

圖2 型鋼混凝土框架支柱構造節點設計

桁架轉換層下弦的軸向拉力較大，型鋼混凝土構件配筋及截面，要遠遠超過中間層弦桿及上弦。下弦梁面、梁底的配筋率及下弦含鋼率分別為1.7%、1.47%和3.7%。型鋼混凝土構件的正截面合理計算，從軸力作用的角度考量，結合拉彎級壓彎進行計算，并利用軟件技術加以復核。以截面纖維模型積分算法及其平截面假定為基礎進行計算，基于有限元原理，離散截面，形成若干個小單元，基于材料本構關系計算其應力，并計算單元應力積分，確定截面承載力參數及N-M曲線。

混凝土壓彎構件斜截面承載力的計算公式為：

并參考《型鋼混凝土組合結構構造與計算手冊》中的相關計算方法對其斜截面承載力加以復核，即：

5 轉換樓板的設計分析

轉換層樓板設計，要保障豎向抗側力構件起到協同工作效果，實現上部結構水平力向下部結構之間的可靠傳遞，并起到隔斷作用。為此，需要合理選擇樓板剛度模型，保證結構整體計算精準性，保證結構分析的合理性。本文所提出的工程案例具備較大的桁架水平力，因此其樓板變形問題較為明顯，就需要對基于樓板彈性，轉換桁架附近的樓板加以計算，考量樓板自身平面剛度。轉換層來鄰層的樓板厚度要增加180mm，并增加雙向加強配筋[3]。

圖3 預應力鋼筋的錨固區設計

標準層結構中，樓板長度為100m，其伸縮縫間距不符合《混凝土結構設計規范》中的具體要求，為了減少混凝土收縮以及環境溫度對于混凝土收縮所產生的影響，避免樓板在溫度應力的作用下產生裂縫而影響空腹桁架轉換結構強度，應當在樓板中配置相應預應力鋼筋，樓板采用C40混凝土，在樓板中心配置的鋼筋為直線束無粘結預應力鋼筋。

6 結語

型鋼混凝土材料的雙疊層空腹桁架轉換結構的設計，具備較好的結構合理性，清晰而明確地進行受力傳遞，具備較高的結構承載力，可以在滿足建筑功能性要求的同時，提高建筑抗震性能，保證建筑安全。但同時，這種結構的實際施工難度較高，需要從節點受力、桁架受力、結構特點等層面加以考量，保證節點連接的穩固性。