刘立东

1 概况

山东某商务综合楼是一幢以办公为主的商务楼,主体结构为框剪结构,地下1层,地上 18层,建筑高度 69.5 m,层高3.9 m,因使用功能要求底层中庭需25.2 m×19.0 m,4层高无柱开敞空间,为达到此要求,必须在5层处设置转换结构。本工程采用桁架式转换。

2 转换结构方案选择

多功能的高层建筑,因竖向功能划分,产生底部大空间的厅堂、商业功能、通道等,造成结构竖向构件不能连续,需要设置转换层,通过转换构件实现上下竖向构件的过渡。

结构转换方式主要有以下几种:梁式、板式、箱形结构、桁架式、斜撑、搭接柱等。

2.1 转换结构方案比选

转换结构设计需考虑:1)减少转换;2)传力直接;3)优化转换结构减少刚度突变。对本工程转换结构分析比选如下:1)板式转换结构因传力复杂、自重大、不利抗震,且不适合本工程框架结构转换;2)本工程无设备层,转换层使用空间为开敞空间,不能采用箱形转换;3)梁式转化梁高需一层层高,因转换部位为整体建筑物中部主要通道部位,亦无空间设置转换梁;4)综合各方面因素,桁架式转换形式比较适合本工程,不会造成封闭空间,斜腹杆位置可以通过建筑墙体及装饰处理;桁架节点即为上部柱位置,传力直接;转换构件侧向刚度较小,不会使转换层产生过大的刚度突变,平面外方向基本不产生竖向刚度变化,结构有利抗震。

2.2 转换构件平面布置

按建筑平面布置,转换桁架可以考虑两种布置方式:1)沿⑧,⑨轴布置两道两跨转换桁架方式;2)沿Ⓑ轴布置一道三跨转换桁架。经分析,如采用方式1),则Ⓐ轴交⑧,⑨轴的柱为转换柱,因此柱为边柱,且为4层通高柱,下部各层均无楼面梁拉结,对结构及转换柱构件稳定性都比较不利,故放弃方式1),采用方式2)。方式2)虽然跨度较大,但结构纵向整体刚度很好,且能与核心筒剪力墙共线,更能保证整体稳定性,桁架产生的水平推力也可以由剪力墙分担一部分,核心筒剪力墙也是结构抵抗水平推力的足够储备(见图1)。

2.3 转换构件竖向布置

转换桁架杆件内力大小主要和斜杆角度有关,为减小桁架内力,需尽量减小斜杆与竖向构件夹角。但同时夹角越小就会使斜向构件跨越的楼层越多,影响建筑使用功能,所以要选择一个合理的方式使二者兼顾。主要受力斜杆位于⑦,⑧轴和⑨,⑩轴之间,柱距8.4 m,建筑层高3.9 m,比较合适的桁架高度取竖向跨3层,高度为11.7 m,斜杆与柱夹角34°。为减少对建筑平面布局影响,并使节点不致过于复杂,⑧,⑨轴之间不再设置斜杆,6,7层梁柱为桁架直腹杆(见图2)。

2.4 转换构件存在的问题及解决方案

根据以上布置的转换桁架仍存在以下问题需解决:1)桁架承担较大竖向作用力,含桁架所在楼层,共14层竖向力需通过转换桁架传递至⑦,⑩轴柱。斜杆承担轴力比较大,并有一定的弯矩存在,用钢筋混凝土构件无法满足设计要求。2)5层梁跨度较大,为25.2 m,为桁架下弦杆,需承担很大的水平拉力,同时又要承担桁架节点及5层楼面荷载产生的弯矩,需按拉弯构件设计,且弯矩较大,设计难度很大。3)如采用钢构件,和共4层的很多混凝土构件都有连接,节点难以处理。

对于这些问题设计中采用了以下方式解决:1)除下弦杆以外的转换桁架构件均采用型钢混凝土构件,下弦拉杆采用纯钢截面。2)5层梁(下弦杆)按纯拉杆件设计,要使5层梁不承受弯矩,则:a.要取消⑧,⑨轴上5层柱,使5层梁中部无桁架节点,则无集中力和弯矩传递至梁;b.该梁与5层楼面脱离开,楼面通过别的构件支承,荷载不传递至该梁。具体方案为:该梁顶标高低于5层板底300 mm,与板无连接,板通过两侧的大跨度预应力混凝土梁支承。预应力梁直接将该大空间顶部范围全部荷载传递至⑦,⑩轴框架梁,与桁架不发生主要受力关系。通过以上方案,5层梁(下弦杆)仅承担自重产生的微小弯矩;c.该梁采用纯钢截面,既减轻自重又不影响纯拉构件承载力。3)采用型钢混凝土,型钢混凝土构件和普通梁柱构件连接便于设计施工。

3 结构分析

3.1 计算分析

结构整体计算采用PKPM2005建筑结构设计软件系列SATWE多高层结构有限元分析软件,对转换桁架另采用ETABS9.2软件分析内力变形等。

表1 SATWE计算结构竖向刚度比

采用PKPM系列计算,在PMCAD建模时斜柱采用斜杆方式输入。根据计算结果分析,斜柱存在不会严重影响楼层侧向刚度,建筑物竖向刚度突变见表1,转换结构比较理想。

ETABS计算:针对桁架本身建立了一个模型分析转换桁架受力及变形。

对SATWE和ETABS所有计算结果进行比较,计算结果差距较大,SATWE计算未能反映梁(水平构件)的轴向力,而水平分力是转换桁架受力中很重要的一项,故构件以ETABS计算结果为主进行设计(见表2)。

表2 ETABS及SATWE构件计算结果

桁架跨中最大挠度计算值约15 mm=L/1680＜L/400,水平作用下桁架最大层间位移为H/6000,均能满足规范要求。

3.2 构件设计

型钢混凝土截面构造见图3。

1)斜柱:整个转换桁架中最重要的受力构件是两根斜柱,鉴于钢筋混凝土无法满足强度及延性要求,采用型钢混凝土截面。2)上弦杆,即是8层梁:除斜柱外上弦杆是桁架中轴力最大的构件,采用ETABS计算结果,按型钢混凝土截面设计。3)下弦杆:为主要受拉构件,采用全钢结构截面,并和楼面梁板分开。4)6层梁:为次要受拉构件,采用型钢混凝土截面。5)其余构件受力相对较小,均采用钢筋混凝土构件。

4 结语

通过对本工程的整体计算分析及型钢混凝土组合柱、斜腹杆转换桁架的内力计算分析、设计,保证了转换结构在承受水平荷载和竖向荷载的作用下,能够满足规范的要求。有效解决了底层大空间的难题,满足了实际需要,整体工程经济可靠,对同类工程具有指导意义。

[1]JGJ 3-2002,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[2]JGJ 138-2001,型钢混凝土组合结构技术规程[S].

[3]JGJ 99-98,高层民用建筑钢结构技术规程[S].

[4]刘维亚,张兴武,姜维山,等.型钢混凝土组合结构构造与计算手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[5]徐培福,傅学怡,王翠坤,等.复杂高层建筑结构设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.