某復雜高層轉換桁架的設計與研究

王紅兵

(安徽省建筑設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230091)

1 工程簡介

合肥萬達廣場酒店位于合肥市蕪湖路包河萬達廣場項目北區，為一座超五星級酒店。本項目地下2層，地上主樓21層，裙樓4層，結構高度93.4 m，總建筑面積5萬m2。因使用功能要求，主樓底層大堂范圍抽掉2根中柱，在4～5層設轉換桁架托上部18層，轉換桁架下部的柱跨為20.4 m，如圖1所示。該工程竣工至今使用情況良好。

圖1 工程剖面圖

2 轉換結構概念設計

2.1 轉換體系方案的確定

轉換結構可采用梁式、拱式、板式、箱式、桁架式等，這些形式都有各自的優缺點，也適合不同的情況使用。

梁式轉換目前用得最多，它設計和施工簡單，受力明確，這種傳遞方式結構的強度和剛度條件容易得到滿足。但轉換大梁也阻隔了內部空間，本工程需要在轉換結構兩邊互聯互通，故梁式轉換方案被排除。

拱式轉換結構輕巧，節約材料，但拱底部水平推力較大，經試算底部采用框支柱不能滿足推力要求，要改為筒體結構，筒體截面較大，嚴重影響底層大堂使用，故拱式轉換方案也被排除。

板式、箱式轉換適用于上下柱網、軸線錯開較多的情況，自重較大，材料耗用較多，工程造價較高，計算分析也較復雜，也不利于空間利用，本工程避免采用。

桁架轉換是一種輕型的結構轉換體系，相當于在深梁中規則地挖去部分材料而形成。與傳統的結構力學概念不同，這里所說的桁架桿系不是只有軸向拉壓力，即轉換層桁架除了拉壓力之外，每一個桿件和節點都可能存在拉壓、彎、剪、扭等各種復雜的受力和傳力特性，這是在設計和施工過程中都必須注意的一個重要特性。這種結構轉換層的優點是：節省材料和成本，轉換層利用率高，又不會發生突然的破壞過程，但是它必然對抗震計算和施工過程的監測工作在技術上提出了更高要求。

綜合比較上述各種轉換體系的優劣，結合建設單位使用要求 (轉換層為SPA會所，鏤空的位置可以開門洞方便SPA功能房間的使用)，我們在本工程中最終采用桁架轉換結構體系。

2.2 轉換桁架方案的優化

原方案轉換層以上為3排柱，如圖2所示，柱跨分別為8.4/12.0 m，轉換層以下需抽1根中柱，這樣造成轉換桁架局部受力太集中，且集中力偏心，造成結構不合理。結合建筑布局，在滿足使用功能的前提下，轉換位置以上單柱分成2根柱，對稱布置，使得轉換桁架受力分散均勻，安全合理，對比計算結果顯示優化后的桁架截面及配筋減小。此外,由于轉換桁架以上2根框架中柱垂直變形大于邊柱，設計時加強轉換桁架以上樓層框架梁截面，并把三跨梁視作一根梁，增加貫通鋼筋，提高整體剛度，類似于疊層桁架結構，層層托柱,使得中柱垂直變形減小，中柱豎向力更多分配至落地邊柱，從而減小轉換桁架頂部的垂直力、集中力，使設計更合理，并提高結構整體安全度。

圖2 轉換桁架優化圖

2.3 關鍵部位二道防線的設置

豎向構件為整個工程的關鍵構件，轉換桁架又為豎向構件的關鍵部位，如何保證轉換桁架有足夠的安全度是本工程設計重點之一。為此在本設計引入了“轉換桁架豎向承載二道防線”的概念。

如圖3～圖5所示：把轉換桁架模型1拆分為模型2+模型3，模型1是實際模型，模型2考慮斜桿為壓桿模型，模型3考慮斜桿為拉桿模型。計算時，三種模型分別獨立計算，模型1、模型2均滿足承載力要求，模型3部分桿件不能滿足承載力要求，最終取包絡值，超筋構件按最大配筋率實配鋼筋。這樣保證即使受拉構件破壞退出工作時，受壓構件仍然保證結構安全,從而保證了轉換桁架有足夠的安全儲備，一道防線破壞后尚有第二道防線可以支撐結構，避免倒塌。

圖3 模型1

圖4 模型2

圖5 模型3

3 結構計算

本工程為超限結構，整體計算分別進行了小震彈性、小震動力彈性時程分析、中震及大震彈塑性計算。小震彈性采用中國建筑科學院編制的PKPM系列軟件作為主算程序，MIDAS作為輔算程序；小震動力彈性時程分析：時程曲線選自本工程《場地地震安全性評價報告》，選兩條實際場地波以及一條人工波；中震計算采用SATWE程序；大震計算采用彈塑性靜力推覆分析法(PushOver)，采用PKPM EPDA程序。轉換桁架抗震設計性能目標為：小震彈性，中震彈性，大震不屈服。計算結果顯示各項指標滿足規范及設定的抗震性能目標要求。

為了能較好地模擬桁架結構受力，克服該軟件的不足，整體計算中針對轉換層考慮下述幾個問題：

(1)樓板計算剛度的假定：通常情況下如果結構平面規則、樓板連續，樓板平面內剛度可假定為無窮大。這有利于精簡剛度矩陣提高計算效率。但是桁架結構上下弦拉桿的內力是通過上下弦節點的相對位移實現的，如果平面內剛度假定為無窮大，上下弦節點間將不出現相對位移，上下弦桿軸力為0，顯然這樣的結論與通常力學概念相悖。 因此，桁架上下弦平面內樓板必須設為彈性樓板。

(2)轉換桁架上下弦桿計入軸力計算。梁承受的軸力一般較小，SATWE程序默認按照受彎構件計算，軸壓比小于0.15時，忽略梁軸力。本工程這些梁承受較大的軸力，應按照壓彎構件定義，精確計算上下弦桿軸力，計入全部軸力。從而保證各構件的安全性。

(3)轉換桁架上下層轉換層按規范要求設置為薄弱層，放大地震作用剪力標準值1.25倍。

對轉換桁架另采用了平面框架(PK)及MIDAS/Gen有限元程序進行補充計算分析。運用PK軟件計算時，同樣取圖3～圖5三個模型分別計算。

設計時取所有計算結果包絡值，下弦桿的最大軸向拉力設計值為5 664 kN，上弦桿支座處的最大軸向拉力設計值為3 460 kN，跨中的最大軸向壓力設計值為-4 611 kN，其余結果均在規范允許范圍內。

4 結構設計

設計時轉換桁架及框支柱混凝土強度等級為C60，要求桁架所有桿件混凝土整體澆注，優先采用免振搗混凝土，鋼筋錨固長度均要求不小于40 d。

計算結果及配筋見表1，圖6中所示的3號構件按框支柱構造要求執行, 1、2號構件按框支梁構造要求執行, 5號構件為拉桿，6、7號構件為壓桿，7號構件受力較小。

表1 構件一覽表

圖6 轉換桁架桿件編號

桁架中既有拉桿又有壓桿，還有在地震作用下可能出現拉壓力轉變的桿件。為了減緩在復雜受力下桿件裂縫的開展，提高桁架的延性，除了對轉換桁架各種荷載工況下內力仔細分析準確配筋外，還充分考慮了其上下弦桿、腹桿不同受力特點，在相應梁板柱部位采取了一系列針對性構造措施。包括：

(1)轉換桁架上下弦桿平面內樓板加厚加強，桁架至兩邊剪力墻范圍內的樓板厚度為200 mm，鋼筋≥Φ10@150雙層雙向，有效傳遞水平力至剪力墻。

(2)弦桿、腹桿交接處加腋，以消除應力集中，提高延性，保證了節點區的承載力，同時減緩了桿件裂縫的開展，使得理想力學模型與實際受力情況更吻合。

5 結束語

本工程為復雜超限高層，轉換桁架又為本工程的關鍵結構，通過前期方案優化、多階段、多模型計算及不同軟件的對比分析，包絡設計，并根據計算結果調整優化結構布置。在采取適當的設計加強措施后，完全達到保證結構安全并滿足“小震不壞，中震可修，大震不倒”三水準設防目標。

工程關鍵構件，在設計中需要留有“二道防線”，保證結構安全。