吴文涛

摘要 本工程为上海市某一高层部分框支剪力墙结构，转换层采用了空腹桁架转换形式，在保证转换层构件强度和刚度的同时，相比同类梁式减轻了自重，同时桁架洞口为日常设备使用与维修提供了诸多方便。本文采用PKPM软件对整体结构进行了小震弹性时程分析（EDA），采用Midas软件对整体结构进行了大震静力弹塑性时程分析（PUSH-OVER）；采用Midas软件对转换构件进行了有限元分析。参数计算结果表明，整体结构空间工作性状良好，能够满足底部大跨度和工程抗震要求。可供工程设计参考。

关键词 空腹桁架 箱形梁 转换层

1空腹桁架转换结构的结构型式及适用条件

1.1 结构型式

空腹桁架国外称维式桁架（Vierendeel truss or open-web truss），由上弦杆、下弦杆及直腹杆组成，受荷时以弯曲变形为主，同时还具有桁架的受力特性。空腹桁架转换结构与桁架式转换结构优点相似，具有受力合理的特点，但桁架式转换结构具有斜撑杆，而空腹桁架转换结构的杆件都是水平、垂直的。因此，空腹桁架转换结构在室内空间利用上比桁架式转换结构、箱式转换结构优良。目前，我国实际工程中应用的空腹桁架转换结构型式主要有 ：等节间空腹桁架、不等节间空腹桁架、间隔空腹桁架、混合空腹桁架、叠层空腹桁架等。根据使用材料的不同，空腹桁架又可分为 ：钢筋混凝土空腹桁架、预应力混凝土空腹桁架、钢结构空腹桁架等。其中预应力混凝土空腹桁架的应用已越来越广泛。因为在桁架下，弦施加预应力能抵消下弦拉力和部分跨中弯矩，使下弦由偏心受拉杆转变为偏心受压杆，提高了刚度，防止开裂。在实际工程中，施加预应力具有减小构件截面尺寸，减轻自重，有效控制挠度和防止裂缝开展等优点。缺点是构造复杂、施工难度大、造价较高。

1.2 使用条件

空腹桁架转换结构通常用于 ：非抗震设防的多、高层建筑。六度、七度和八度抗震设防的多、高层建筑。九度抗震设计时，因带转换层的高层建筑结构在竖向荷载、水平荷载作用下受力复杂，且缺乏研究和工程实践经验，故不宜采用。此外，空腹桁架转换结构还适用于要求较大室内使用空间和较大跨度转换的多、高层建筑。

在传统的高层部分框支剪力墙结构中，水平转换构件采用托梁的形式最多。有的住宅建筑在上部剪力墙下有设备层时，需要做成箱形梁形式转换层，该层主要用作上部竖向给排水通风管道的水平转换及其它设施功能房间，由于下部商业用房要求顶板下无水平的排污管道，因为一旦爆裂将引起商业用房的灾难后果，因此，采用箱形梁是合理的。但是为了避免箱形实腹梁的刚度和重量过大，同时也为了尽量避免框支柱顶先于框支梁产生柱铰，根据多种资料记载，在箱形梁腹中开适当的洞口，使箱形实腹梁转化成直腹桁架形式转换构件，其柱端的塑性铰就可先行转移至桁架的上、下弦杆端，从而满足“强柱弱梁”，对结构抗震有利。

2. 工程概况

本项目位于上海市区，由3座18层住宅楼和1座17层办公楼及3～6层商业裙房组成，设3层整体地下室，其中2号住宅楼地面以上1～3层为商场，建筑平面宽40m，长60m，转换层位于第4层，4层以上为住宅，建筑平面呈T形，长42m，宽16m，地上18层，高59.4m。本工程采用部分框支剪力墙结构，抗震设防烈度7度，设计地震分组第一组，场地类别IV类，场地特征周期0.90s，框支框架和落地剪力墙抗震等级为一级，转换层以上一般剪力墙为三级。抗震设防分类为丙类建筑，转换层及标准层和剖面简图见图1～3。

3. 计算分析结果

我们在设计上海此高层转换结构工程时如下建立直腹桁架分析单元，即将箱形梁按照剪力墙定义输入，梁高按一层考虑，于是取得本层的侧向刚度，之后再将箱形梁侧向进行开洞处理，得出新的该层侧向刚度，对两种情况进行比较（这种建模过程中其余构件均不变），结果表明，开洞剪力墙所模拟的箱形梁，在x方向该层侧向刚度降低了27%，在y方向该层侧向刚度降低了25%，比箱形实腹梁情形有显著的水平刚度削弱，有效地改善了转换层上下的结构侧向刚度比。同时，所开的洞口用于水平管道和检修人员通行，外墙洞口可用填充墙封堵。

由于豎向构件不连续，平面和立面均为特别不规则，且有扭转不规则，此工程是高位转换的复杂高层建筑。因此，采用SATWE和PMSAP两种软件分别计算，并补充Midas软件对结构进行静力弹塑性时程分析和对转换桁架进行应力分析。

3.1转换梁上、下弦加强措施

指定转换层以下为薄弱层，考虑双向地震和偶然偏心，框支柱剪力采用0.3Q0调整。对一级抗震的水平转换构件地震作用内力乘以1.5的增大系数，水平转换构件顶板和底板厚度180，根据“高规”10.2.8条框支梁设计剪力应符合V≤（0.15fcbho）/rRE，由于转换层为设备层，考虑以后使用方便，同时降低箱型梁的侧向刚度，每根梁至少两个洞口，每个房间都有洞口，方便以后设备安装和检修，由于洞口位置需尽量跨中，避开支座，部分上部剪力墙落在了洞口上面，上、下弦（即开洞口处）多处剪力不满足该要求，对此采取了以下应对措施：1、将转换构件砼强度提高至C60；2、洞口四角加腋；3、上、下弦内加型钢，做成劲性梁；4、加强洞口上部剪力墙连梁及边上小墙肢配筋，采用上述措施后满足弦杆的剪压比要求。

图4 洞口加筋构造

3.2采用SATWE和PMSAP两种软件计算结果

两个程序振动周期如下表，扭转周期和有效质量系数满足要求：

位移计算和基底剪重比如下：

根据高规4.3.4条规定，采用SATWE程序进行弹性时程分析补充计算，对反应谱法（CQC法）结果进行校核。多遇地震作用下弹性时程分析，加速度时程最大值为35gal。

弹性时程分析选用Ⅳ类场地上的两条天然地震波――TH1TG090波和TH2TG090波，以及一条RH1TG090人工地震波，特征周期均为0.90s。三条波的基底剪力均不小于CQC方法的65%，三条波的平均值不小于CQC方法的80%。

图5 楼层最大位移角曲线

各条最大层间位移角曲线形状相似，曲线基本光滑，框支层处略有突变，表明结构刚度较为均匀。

3.3静力弹塑性时程分析（PUSH-OVER）

根据高规第3.11.4条规定，采用Midas软件进行大震静力弹塑性时程分析（PUSH-OVER）补充计算。转换梁采用实体单元Solid Elements设计，为了计算准确，在梁高和梁长度方向划分单元，使转换梁计算细化，避免计算结果应力突变，接近实际受力情况。

结构有明显的屈服平台，并与不同阻尼比时的需求谱有交点，即存在性能点，说明结构有足够的抗震能力。出现性能点时塑性铰多出现在转换层以上剪力墙的中下部，主要在转换层上一层，首先这是由于罕遇地震时，底部剪力主要由剪力墙承担，容易产生塑性铰；另外在输入剪力墙配筋时，无法输入约束边缘构件使剪力墙配筋比实际配筋小。如图6所示。

图6大震时的能力-需求谱曲线

静力弹塑性时程分析（PUSH-OVER）结果表明：能力谱曲线与需求曲线得到的性能点，其对应的结构层间位移远小于规范规定的1/100限值；因程序中无剪力墙约束边缘构件的输入，在实际剪力墙端部和短肢边缘构件的作用下，其结构延性和耗能能力高于分析结果。

4. 结论

空腹桁架转换构件属于超静定结构，有塑性内力重分布并且在水平荷载作用下变形分散。因此，在一定程度上提高了耗能能力，使得空腹桁架转换结构的抗震性能要优于梁式转换结构。在荷载作用下，由上文可知空腹桁架具有受力均匀、传力明确、抗侧刚度较好、结构设计合理、抗震性能较好等优点，这使得空腹桁架转换结构在实际工程中得到广泛应用。

参考文献

[1] 徐培福，傅学怡，王翠坤，肖从真 . 复杂高层建筑结构设计 [M] 中国建筑工业

出版社，2005.

[2] 张誉，赵鸣，方健，等 . 空腹桁架式结构转换层的实验研究 [J]. 建筑结构，

1999，20（6）.