桁架式转换层（共6篇）
桁架式转换层 篇1
1. 引言
随着社会经济的发展, 人们对建筑物功能、形式的要求越来越高, 同时城市的用地日益紧张, 这就使得城市的建筑物朝着功能综合化, 形式多样化的高层建筑发展。为了满足建筑物多功能的要求, 往往高层建筑物上部被要求用来作为旅馆、住宅等, 通常采用柱网较密的框架—剪力墙结构, 而下部通常要求用于商业用途的较大的自由空间, 比如用于商场、停车场等, 通常采用大柱网框架结构。上述的要求显然与建筑结构的合理性、逻辑性相悖, 因为建筑物正常合理布置时应是刚度大、墙多、柱网密的框架—剪力墙结构位于下部, 而刚度小、墙少、柱网稀的框架结构位于下部。这时结构的合理性与建筑物的功能需要就产生了矛盾, 为了解决这一矛盾, 满足建筑物功能需要, 就需要在下部结构与上部结构之间设置一个结构过渡层, 即转换层。
2. 转换层的功能意义
2.1 上、下层结构类型转换
转换层将上部剪力墙转换为下部的框架, 多用于框—剪结构和剪力墙结构中, 这样可使得下部结构具有较大的内部自由空间。
2.2 上、下层结构柱网布置转换
转换层上、下的结构形式相同, 通过转换层能使下部结构的柱距扩大, 形成大柱网空间。多用于商住楼, 以形成下部的大空间用于商场、停车场等。
2.3 同时转换上、下层结构类型和柱网布置
上部剪力墙结构通过转换层变成框支剪力墙结构的同时, 上部剪力墙的轴线与下部柱网错开, 形成上下柱网不对齐的结构。多用于办公楼, 上部用于小开间办公室, 下部用于停车场或者大厅等。
3. 桁架转换层设计的主要原则
3.1 强斜腹杆、强节点
当楼层高度较小时, 受压斜腹杆会成为超短柱, 在地震中极易受到破坏, 这对结构的抗震十分不利, 所以应设计成“强斜腹杆”;根据《高层建筑混凝土结构技术规程》中第10.2.27条规定:转换层桁架的节点应加强配筋及构造措施。同时节点的荷载状况的影响因素较多, 受力状态较复杂, 容易发生剪切破坏, 地震作用中节点较为薄弱, 极易破坏, 所以应设计成“强节点”。
3.2 强转换层及下层、弱转换层上层
由于转换层上部通常采用含剪力墙的结构, 而下部为框架结构, 这就造成转换层的上下部的刚度差比较大, 在水平地震作用时转换层容易形成薄弱环节, 因此在转换层设计中应适当增加转换层下部的刚度, 如加大筒体和落地墙的厚度、提高混凝土强度等级等, 弱化转换层上部的刚度, 如减小不落地剪力墙的厚度、在墙体上开洞等, 使得上下部结构的刚度基本一致。同时对于主体结构转换层的上、下部的总剪切刚度比宜取γ≈1, 针对转换层位于1层的, 非抗震设计时γ≤3, 抗震设计时γ≤2;针对转换层大于1层的, 非抗震设计时γ≤2, 抗震设计时γ≤1.3;当转换层设置在3层及其以上时, 转换层本层侧向刚度应大于或等于相邻上一层楼层侧向刚度的60%。其中γ应按下式计算:
式中:
Gi、Gj为第i层、第j层的混凝土剪切模量, 且G=.0425E, E为混凝土的弹性模量;
Ai、Aj为计算方向折算抗剪截面面积, 且A=Aw+0.12Ac, wA为计算方向剪力墙的全部有效截面积, cA为全部柱的截面面积;
hi、hj为第i层、第j层的层高;
3.3 强柱弱梁、强边柱弱中柱
转换层上部框架结构应按照“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则设计。为提高结构的抗震能力, 应该满足“强柱弱梁”的原则, 使柱的强度大于梁的强度, 以确保梁端早于柱端出现塑性铰, 提高结构的延性。为满足“强边柱弱中柱”的原则, 中柱截面尺寸一般不大, 如果由于构造要求而不能加大中柱刚度时, 可以采用型钢柱。
3.4 强剪弱弯
转换层结构中各构件应按“强剪弱弯”的原则进行设计, 以使构件发生延性较好、有预兆的受弯破坏, 避免发生没有预兆的剪切破坏。
4. 设计中应注意的几点问题
4.1 转换层设置高度不宜过高
转换层高度越高, 使得转换层对下部结构的动力特性影响越明显, 同时传力路线的突变越大, 使得下部结构更容易破坏;转换层高度低的建筑, 只需控制侧向刚度比即可控制转换层附近的层间位移角;对于转换层高度更高的建筑, 还须控制转换层上下部结构的等效刚度比。转换层高度越高, 转换层上下部结构在地震作用下的变形效应就越大, 转换层上下部结构等效侧向刚度比的作用也就越小。
4.2 保证框架结构的延性
满足转换层上层与下层的剪切刚度比γ和转换层下层柱轴压比限值µN条件的桁架转换层结构, 转换桁架上层是结构的薄弱环节, 破坏较严重。设计时应尽可能避免转换层上层柱柱底出现塑性铰, 同时加强上层柱与转换桁架的连接构造, 以保证桁架转换层及其以上的框架结构具有更好的延性。
4.3 柱宜直接落在转换层主结构上
根据《建筑抗震设计规范》中第E.2.4条规定:转换层上部的竖向抗侧力构件 (墙、柱) 宜直接落在转换层的主结构上。即上部密柱宜与转换桁架斜腹杆的交点、空腹桁架的竖腹杆在位置上重合。这样使得结构的传力路线明确, 受力合理, 且相邻斜腹杆可形成拱效应, 与竖腹杆共同承受竖向力, 同时有利于提高结构抵抗地震竖向作用的能力。
5. 结语
高层建筑的功能如今日趋多样化, 复杂化, 所以对转换层的受力要求也越来越高, 设计难度也明显增大。在高层建筑中, 正是因为有了转换层的存在, 才使得建筑结构在满足了功能需要的同时, 建筑结构的本身也更加合理, 满足了人们对建筑物的综合要求。因此, 在转换层的设计中, 要结合工程实际, 通过对建筑结构全面整体的论证、设计和分析, 选用合理的转换层结构设计方案, 才能达到整个建筑结构上的安全、经济、合理、适用、耐久。
参考文献
[1]戴国亮, 蒋永生, 傅传国, 梁书亭.高层型钢混凝土底部大空间转换层结构性能研究.土木工程学报, 2003, 04:24-32.
[2]张新新.带空腹桁架转换层结构的抗震性能研究.西安建筑科技大学, 2013.
[3]戚雯.带桁架转换层高层结构抗震性能研究.西南交通大学, 2012.
[4]沈朝勇, 黄襄云, 周福霖, 罗学海, 任珉, 陈建秋, 温健婷.带SRC桁架转换层及钢加强层高层建筑抗震性能研究.地震工程与工程振动, 2004, 06:83-88.
[5]李婷婷, 陈清军.带钢桁架转换层结构的地震反应分析与比较研究.结构工程师, 2009, 02:85-90.
桁架式转换层 篇2
本文选择大连国际贸易中心大厦为研究对象,该建筑位于大连市中心区,地上79层,主体高度330m,为钢管混凝土框架—核心筒结构。由于建筑布置的需要,下部商场采用较大空间,因此需抽柱转换以增大柱距。根据2003年3月9日建设部发的《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》通知,本工程的转换层位于第九层,属超限高层转换结构,设计较复杂,需考虑较多因素。结构平面布置如图1,2所示。
2 地震作用的各项指标选取
根据《建筑抗震设防分类标准》及《建筑抗震设计规范》规定,地震作用各项指标如下:抗震设防类别为丙类;抗震设防烈度为7度;设计基本地震加速度值为0.1g;设计地震分组为第一组;水平地震影响系数最大值为0.08(多遇地震作用下);设计特征周期为0.25s;结构阻尼比为0.04。框架抗震等级为特一级;剪力墙抗震等级为特一级;裙楼的抗震等级为特一级。
《建筑抗震设计规范》[1]5.1.4规定:周期大于6.0s的建筑结构所采用的地震影响系数应专门研究。设计地震动加速度放大系数反应谱的表达形式为式(1)。
式中,T为反应谱周期,βm为反应谱最大值,T1和Tg为反应谱特征周期(s),c为衰减周期。表1给出了上式中各参数的取值,Am为场址水平加速度峰值。Am和β(T)与建筑抗震设计规范中水平地震动系数α的关系用式(2)表示。
3 有限元模型的建立
本文采用SATWE有限元分析软件进行计算。SATWE程序的特点如下:模型化误差小、分析精度高;计算速度快;前后处理功能强,PMCAD模块建立后,SATWE读取其数据,自动将其转换成空间有限元分析所需的数据格式。该工程的模型共用了34308个节点、34790个梁单元以及29070个板单元,其中考虑36种截面形式和10种材料性质,进行了在重力荷载、单向地震作用、双向地震作用以及风荷载作用下的整体结构分析。
4 计算方法
4.1 楼层刚度比
本文采用等效刚度[2],计算顶点位移Δ时考虑轴向变形、弯曲变形和剪切变形的综合影响,并将楼层底部视为嵌固端,消除无害位移的影响,计算的刚度较真实的反映了楼层实际刚度。《高层建筑混凝土结构技术规程》[3](以下简称高规)对楼层刚度比有严格规定,当楼层刚度出现突变时,用相邻层的刚度比来描述刚度突变幅度。楼层等效刚度最真实的反映楼层实际刚度,因此楼层等效刚度比也最能真实的反映楼层刚度突变幅度,宜优先采用。
4.2 振型分解反应谱法
该方法是利用单自由度体系反应谱和振型分解原理来解决多自由度体系地震反应的计算方法,是当前确定结构地震反应的主导方法。
5 转换形式对整体结构的影响
转换层设计是高层建筑设计中的重点和难点,要综合考虑周期、振型、位移、转换层附近构件内力分布等因素,以下就各种因素对整体结构的影响进行分析。
5.1 转换层设计
该工程转换层上部承托70层的荷载,若采用普通钢筋混凝土梁或预应力钢筋混凝土梁,截面都会非常大,理论上可行而实际工程中无法采用,故本文采用钢骨混凝土构件作为转换大梁。转换梁设计时,用大刚度的梁代替转换层,计算出其上部柱的柱脚在各种工况下的内力组合,采用极限平衡理论法[4]设计转换梁。转换梁的尺寸为1200mm×2800mm,混凝土等级C60,钢骨为Q345钢板焊接,截面尺寸2300mm×1000mm×50mm×50mm,钢筋对称布置,箍筋和腰筋按构造配筋。桁架设计时,弦杆按偏心压弯构件设计,腹杆按轴心受拉(压)杆件设计:桁架高为4.9m,采用钢管混凝土结构[5,6,7],上、下弦杆尺寸均为1200mm×900mm,内设横隔板,斜撑构件采用Q345C钢,尺寸为1200mm×900mm×50mm,内填C50混凝土。
5.2 转换形式对结构自振周期的影响
为了控制结构在地震作用下的扭转效应及高阶振型可能对结构有较大的影响,因此本文将该结构模型计算至前20阶振型。由表2可知,扭转为主的第一周期与平动为主的第一周期的比值均在0.34左右,都远小于规范所规定的值,说明结构的平面布置比较规则;梁式转换结构的周期比桁架转换的稍长,说明后者的侧向刚度较大。但从总体上看,两者对结构自振周期的影响不很明显。
5.3 转换形式对结构位移的影响
根据计算结果,对比两种转换形式的结构分别在风荷载和地震作用下X,Y方向上的顶点位移。在刚度较弱的Y方向上,风荷载作用下梁式转换的结构顶点位移为0.551m,比桁架转换的增加了近10%;地震作用下结构顶点位移为0.232m,比桁架转换的增加了3.1%,说明桁架转换结构的抗侧刚度较大。在转换层的位置上,风荷载和地震作用下层间相对位移突变明显,特别是在Y向地震作用下,梁式转换结构的层间相对位移比桁架转换的大11.7%。
5.4 转换形式对结构刚度的影响
图3列出了Y方向等效层刚度分布情况,可看出转换层附近刚度变化较大,且转换层的刚度大于其下部楼层的刚度,与整个结构刚度变化要求不符。桁架转换层因有斜撑存在,致使其本身刚度增幅在35%左右;梁式转换刚度增幅为27%,两者均符合高规对层刚度突变的要求。
5.5 转换形式对转换层附近构件剪力的影响《高规》规定,单
向地震作用要考虑5%偶然偏心,本文输入考虑5%偶然偏心的Y方向地震作用。分析结果显示在结构15层以上,两种转换形式对结构受力影响不大,因此图4选择了一条具有代表性的轴线上柱剪力分布,分析发现转换层附近剪力明显增大,特别是梁式转换的柱剪力增加幅度较大。两种转换形式的剪力突变范围不同,桁架转换柱剪力突变在第8,9,10层,即在转换层及其相邻层,而梁式转换剪力突变在第9,10层,即在转换层及其以上层。
6 结论
6.1 采用桁架作为转换层,不但能很好地满足建筑功能及穿越管道设备的要求,还能有效减小桁架相邻的边柱端弯距,对其框支柱设计较为有利。
6.2 桁架转换层比梁式转换层对其上部整体结构的嵌固作用强,可减小水平荷载作用下结构顶点位移,提高结构的抗震性能。
6.3 桁架转换因存在斜撑,致使转换层本身刚度增幅比较明显,因此对其上部结构的层间相对位移的控制能力比梁式转换的要好。
6.4 两种转换形式附近的柱剪力有明显突变,桁架转换的柱剪力突变比梁式转换的较小。
6.5 两种转换形式的剪力突变范围不同,桁架转换的柱剪力突变发生在桁架转换层及其相邻层,而梁式转换剪力突变发生在转换层及其以上层,设计时应予以区别加强。
参考文献
[1]建筑抗震设计规范(GB50011-2001).北京:中国建筑工业出版社,2001.
[2]黄勤勇.立面不规则复杂高层建筑结构的抗震分析[D].上海:同济大学,2003.
[3]高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ3-2002).北京:中国建筑工业出版社,2002.
[4]型钢混凝土组合结构技术规程(JGJ138-2001).北京:中国建筑工业出版社,2001.
[5]钢结构设计规范(GB50017-2003).北京:中国建筑工业出版社,2003.
[6]王腾.矩形钢管混凝土桁架转换层设计研究[D].大连理工大学,2006.
桁架式转换层 篇3
一、高位桁架转换层对整体结构刚度影响
桁架转换结构和梁式结构相比具有以下几个方面的优势。
(1) 同一层次的桁架转换结构抗扭刚度较大。
(2) 同一层数桁架转换结构的PΔ效应相对较小。因为在桁架转换结构中设置有斜腹杆增强了结构的抗侧刚度的缘故, 则在层间引起的位移相对较小。
(3) 桁架转换结构在刚度变化的过程中突变的程度相对梁式结构较小、相对比较缓和, 可以在一定程度上起到缓冲的作用。
二、高位桁架转换层对抗震性能影响程度
(1) 在桁架转换结构中, 转换层起到了一个过渡层的作用, 在一定程度上减小了刚度的变化以及层间的位移。从上面的分析以及实际的工程中, 已经了解到桁架转换结构相对梁式转换结构具有层间位移较小、层间转换时刚度变化较缓的优势。这可以提高结构的抗震性能。
(2) 对于层间位移, 桁架转换层结构较梁式转换层较小, 基于这一缘故, 对转换层下部结构的侧移以及顶点的位移都起到了一定的控制作用, 最后导致P-Δ效应的降低, 提高了结构的抗震性能。
(3) 对于高位转换, 桁架转换层更能减轻转换层上部结构受地震的影响。当转换层位于第3层时, 梁式和桁架转换层结构相比较, 转换层上部的层间剪力大致一致。但对于第5层、第7层作为转换层时, 前者却比后者当约15%。
(4) 同样对于高位转换, 桁架式转换结构底部的总剪力值始终比梁式结构的要小, 故对于转换层下部的结构, 桁架式结构所受的损伤更小, 抗震性能更好。
三、桁架转换高层建筑结构的设计原则
桁架转换高层建筑结构在复杂的高层建筑工程的应用中展现出特有的优势, 在设计中如何能够将工程的安全性做到完美就是设计的重点, 其中最为重要的就是整体的延性。在遵循一般的原则, “适当加强转换层下部结构, 弱化转换层上部结构”以外;完美在结构设计中更应该注意“强节点, 强斜腹杆”的设计要点。
(1) 首先, 在整体桁架转换层设计中我们应该满足等效侧向刚度的要求, 上下的结构设计都应该做考虑, 另外应该注意的是尽量不要再转换结构上出现塑性铰, 因为这种情况极易在地震中出现破坏, 这在结构设计中为结构的薄弱层, 也是强条。当整个框架满足刚度的条件之后, 应该考虑桁架转换结构具备良好的延性, 能使材料的结构、构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力, 这是结构设计中需要极为关注的一点。
(2) 柱 (墙) 的轴心压力设计值与柱 (墙) 的轴心抗压力设计值之比值) 也是设计中的要点之一。它反映了柱 (墙) 的受压情况, 我们知道, 轴压比越大, 柱的延性就越差, 在地震作用下柱的破坏呈脆性。因此我们在设计中应该严格控制桁架转换层下部柱的轴压比。在实际工程中, 如果遇到那种轴压比的要求难以满足时, 我们一般考虑的措施是将桁架转换层下部的柱变化, 一般可采用钢骨 (型钢) 混凝土柱、高强混凝土柱, 有些工程也有其它的做法, 即增大柱的截面尺寸以提高其刚度及延性。
(3) 重视斜腹杆桁架转换层的设计。斜腹杆桁架转换层设计是桁架转换层设计中的重要部分, 如何保证确保强节点及受压斜腹杆的强度是设计的重中之重。我们知道, 受压斜腹杆设计关键要点是由轴压比来控制其杆件的截面尺寸, 根绝现行行业的规范及实际工程经验, 我们了解到其具体限值见表2, 以保证其延性的要求。当我们在设计工程中不能够满足这一条件时, 可以采取的办法是在其杆件中配置焊接箍筋或是螺旋箍筋, 有些工程采取的措施是采用内埋空腹钢桁架或型钢的钢骨混凝土, 以此来满足相关强节点及受压斜腹杆的强度。另外, 在进行校核时要考虑到斜腹杆桁架的上、下弦节点截面面积的大小能够满足抗剪强度的要求, 以上措施都是来确保桁架转换结构具备一定程度的延性, 而避免发生突发事件的脆性破坏。
注:表1中Nmax, Fc分别为桁架转换层下部柱的轴力最大组合设计值及混凝土抗压强度设计值;h0, b分别为桁架转换层下部柱的截面有效高度及宽度。
注:表2中受压斜腹杆的轴压比限值:
其中, Nmax, f c分别为受压斜腹杆的轴力最大组合设计值及混凝土抗压强度设计值;A c为受压斜腹杆截面的有效面积。
(4) 取消桁架的竖杆的做法值得推广。在实际工程中, 有些在桁架转换层在设计时, 取消桁架的竖杆, 这样的效果对桁架的上、下弦杆及斜腹杆的受力及在整体结构的受力及安全等级上没有明显影响, 除此之外, 取消竖杆的设计做法使得桁架转换结构的质量及抗侧刚度的突变效应减缓, 在实际的施工中, 取消竖杆的做法也使桁架结构形式更为简单, 在整个现场结构的施工中变得更加方便, 不仅节约了工程造价, 而且提高了工程进度。
(5) 其它。在高位桁架转换层对整体结构的影响分析可以得知, 地震作用对斜腹杆弯矩的影响相对于上、下弦杆的影响要大, 而对斜腹杆轴力的影响中, 除了只是在桁架中部, 对斜腹杆的影响较明显以外, 其它的情况都是影响稍弱, 因此, 在设计过程中应该重点注意到两端的斜腹杆所受轴力大, 应该提高转换桁架中部及两端斜腹杆的抗压 (拉) 强度, 最后也要注意尽量在结构的设计中提高其抗弯性能。
四、结语
总之, 在对高位桁架转换层对整体结构的影响分析后, 笔者认为在进行高位桁架转换层设计时, 如果遇到转换层设置位置较高的情况下, 我们应该对转换层上部结构的一到两层范围内的竖向构件及水平连梁截面、配筋在设计时应予以适当加强, 以此来保证整体结构的稳定性。在设计时要保证桁架上、下弦杆的抗弯刚度, 提高其两端上、下弦杆的抗弯刚度, 特别是与剪力墙相邻的桁架上、下弦杆的抗弯刚度, 并适当提高转换桁架中部及两端斜腹杆的抗压 (拉) 强度。
摘要：论文在简要介绍桁架转换层的主要形式的基础上分析了高位桁架转换层对整体结构的影响, 包括对整体结构刚度及抗震性能的影响, 提出了其在设计过程中的要点及建议, 依此作为高位桁架转换层设计的基础。
关键词：高位桁架转换层,影响,设计要点
参考文献
[1]夏昌.带转换层高层建筑结构基于性能的抗震设计[J].福州:福建建筑, 2008 (1) .
[2]李亭战, 刘宇钟, 陈林.梁式与桁架式高位转换层对整体结构的影响[J].河北:价值工程, 2011 (4) .
桁架式转换层 篇4
带转换层高层建筑结构是高层商住楼中广泛应用的一种结构体系。桁架转换层是一种新型转换结构形式,其在结构设计时可以实现大跨度转换,具有传力途径明确、结构自重小、结构开洞和设置管道方便等优越性。近年来,随着我国复杂高层建筑结构的增多,桁架式转换层由于其独特的优越性,在实际工程中屡屡出现。但这种结构形式也使得结构的受力机理复杂,力学计算难度增大。由于桁架转换层建筑结构在桁架转换层所在楼层刚度可能远大于其下一层,这不可避免的引起结构刚度和应力在竖向的突变,并由此可能形成薄弱层。但现行规范尚无具体涉及,所以,针对桁架转换层在建筑结构设计中存在的问题,本文采用有限元程序Sap2000进行建模计算分析,尝试对设置于不同高度的桁架转换层建筑结构的受力性能做一些探讨。
1 工程算例模型
该模型为16层框支剪力墙结构,总高度65.3m。底部5层为框支层,在5层顶设转换层,上部11层为剪力墙结构。设防烈度为7度二组,设计基本地震加速度值为0.1g,拟建场地土为Ⅱ类场地。框支柱为900mm×1800mm-800mm×800mm,混凝土等级为C40;剪力墙厚350-200mm,C40;转换桁架斜腹杆为HW400×400×25×35、弦杆HW400×400×15×20,梁板混凝土等级为C30。根据分析需要转换层分别设在3层、6层及9层。如图1所示。
2 计算模型假定
(1)用SAP2000建立三维有限元模型,不考虑地下室的作用,模型在首层嵌固;(2)梁、柱和桁架杆件采用可考虑节点刚域的两节点空间梁单元。
3 层刚度比和层间位移角的控制依据
等效侧向刚度比是影响带转换层结构的高层建筑受力性能的重要指标之一。为验证模型刚度是否能满足要求,参考《高规》对计算等效侧向刚度比的模型要求,采用三维空间模型,计算模型分别取转换层至地面的结构为下部结构,上部结构取转换层以上与下部结构等高或接近高度的结构。
(1)根据《高规》E.0.2,底部大空间层数大于1时,其转换层上部与下部结构的等效侧向刚度比γe的计算公式如下式:
式中:γe——转换层上、下结构的等效侧向刚度比;
H1——转换层及其下部结构的高度;
Δ1——转换层及其下部结构的顶部在单位水平力作用下的侧向位移;
H2——转换层上部若干层结构的高度,H2≤H1;
Δ2——转换层上部若干层结构的顶部在单位水平力作用下的侧向位移;
γe宜接近1,非抗震设计时γe不应大于2,抗震设计时γe不应大于1.3。
(2)根据《高规》表4.6.3,高度不大于150m的高层建筑,其楼层层间最大位移与层高之比Δu/h不宜大于1/800。
4 不同设置高度转换层对结构受力性能影响
结构的层位移、层间位移角曲线分别如图2所示。各模型的层刚度比、最大层间位移、最大层间位移角如表1所示。
由计算数据分析可知:
(1)计算得到的三个模型的结构层位移曲线、层间位移角曲线变化趋势基本一致,均表现为弯剪特征。
(2)从三组模型的分析结果可以看出:结构的X向最大层间位移、最大层间位移角都在转换层处发生突变;结构层间位移角均小于1/800,满足《高规》表4.6.3的规定;三个模型均在转换桁架附近楼层层间位移角出现明显减小的趋势,转换层所在层与其相邻层的层间位移变化比较大,变比较剧烈,其中M9的层间位移突变最为严重。说明转换层越高,刚度比增大,层间位移角突变增大,结构整体性越差。
(3)桁架转换层引起结构竖向刚度突变,同时由于转换层结构对结构侧移有约束作用,桁架转换层处较易出现位移集中,是结构的薄弱层。
5 结论及建议
(1)桁架结构作为结构转换层具有很大的刚度,不仅能很好的满足建筑上对空间及穿越管道设备的要求。同时,桁架转换层相当于在框架中设置一个水平加强层,还可以有效降低水平荷载作用下结构顶点位移。
(2)桁架转换层是通过截面较大的弦杆来承担上部竖向荷载,这样可以降低单根转换梁上所承托的荷载,同时可以避免“强梁弱柱”的后果。
(3)在进行转换桁架设计时要注意与梁柱节点的协同工作问题分析,这会影响转换桁架内力的大小,而且还可能改变其受力状态,同时也会影响节点附近梁柱受力大小。
(4)转换层位置较高时,转换层附近的层间位移急剧变化,这会引起结构内力的突变,易使转换层附近几层成为薄弱点首先破坏。这种结构体系不利于抗震,高烈度区(9度或9度以上)不应采用;8度区可以采用,但应限制转换层设置高度,可考虑不宜超过三层;7度地区可适当放宽。
参考文献
[1]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2002
[2]周婷,彭伟,王玉霞.不同设置高度钢桁架转换层的抗震性能分析探讨[J].四川建筑,2008(9):224-226ZHOU Ting,PENG Wei,WANG Yu-xia.The discussionof the seismic response characteristic of the high-risebuilding with truss transfer story[J].Sichuan Architec-ture,2008(9):224-226
[3]贺明卫.高层建筑中大跨度钢桁架转换层的试验研究与理论分析.浙江大学博士学位论文,2004
[4]周婷.设置钢桁架转换层的高层建筑结构抗震性能研究[D].西南交通大学,2008
[5]冯兴.转换层位置对高层建筑结构地震反应影响的研究[D].石家庄铁道学院,2006
[6]GB 50011-2001,建筑抗震设计规范[S]
[7]JGJ 3-200,2高层建筑混凝土结构技术规程[S]
[8]唐兴荣.多、高层建筑中预应力混凝土和桁架转换层结构的实验研究和理论分析[D].南京:东南大学1,998
[9]娄宇,魏琏.高层建筑转换层结构的应用和发展[J].建筑科学1,986:24-26LOU Yu,WEI Lian.The application and development ofthe high-rise building with truss transfer story[J].Jour-nal of Architecture Science,1986:24-26
钢骨混凝土人字撑转换桁架的应用 篇5
本工程位于鄂尔多斯市伊金霍洛旗———东至纵十二路、西至纵十一路与纵十二路中间、南至横三路、北邻横二路;建筑红线以内, 总建筑占地面积约 (210×100) m2, 拟建建筑主要有36层办公楼和酒店1栋;25层公寓1栋及地下3层、地上4层商业裙房。总建筑面积约为17.7万m2, 其中地下室3.3万m2, 地上塔楼部分10.5万m2, 地上裙房部分3.8万m2。办公和酒店塔楼结构主屋面高149.5 m, 建筑高宽比为3.8, 核心筒高宽比为12.1;标准层平面尺寸为42.9 m×34.2 m, 标准层层高4.0 m;共有两个设备层, 层高4.2 m。该工程设计使用年限为50年, 结构安全等级为二级。工程抗震设防类别, 地下1层~地上4层为乙类, 其他为丙类。抗震设防烈度为7度, 地震分组为第三组, 设计基本地震加速度为0.1g, 场地类别为Ⅱ类。地面粗糙度类别为C类, 基本风压按100年重现期为0.6 k N/m2。
大底盘结构尺寸约100 m×120 m, 考虑到设置变形缝会带来建筑构造处理困难, 因此采用施工后浇带法解决变形问题。由于建筑北侧中部层1为入口通道, 受通道位置及宽度限制, ⑧轴的柱子在首层无法落地, 在2层, 3层采用转换处理做法 (见图1) , 这样使建筑师设计意图顺利实现。此转换桁架在入口顶部, 为工程设计的重点和难点, 本文就此进行讨论和研究。
2 结构方案设计
2.1 结构布置介绍
1座塔楼采用框架—核心筒结构 (双筒) , 呈细腰形平面。为增加建筑使用面积, 减小柱截面, 办公、酒店塔楼下部柱子加十字型钢。构件尺寸及材料强度等级见表1, 型钢为Q345。
2.2 结构超限情况及性能目标
根据“内蒙古自治区高层建筑工程结构抗震基本参数表”所列超限情况, 本工程超限情况有:高度超限 (超过A级高度, 满足B级高度) ;还有楼板不连续、竖向不规则 (多塔) 和大悬挑三项构成超限。此外细腰形平面 (凹进尺寸未超过限值) 于抗震十分不利。基于结构的超限情况, 设定本工程抗震性能目标见表2。
3 小震下的弹性反应谱分析
这里主要采用中国建筑科学研究院编制的SATWE (2010年7月) 进行了小震下的振型反应谱分析, 并用了美国SCI公司开发的ETABS v9.7.0与之对比。结构总层数39层, 地下室顶板嵌固, 考虑双向地震, 同时考虑扭转耦联影响。为了考虑高振型对结构的影响, 振型数取81个。考虑到结构的不规则性, 计算中对建筑物的各项结果参数严格控制, 主要数据结果如表3所示。通过对两个软件计算结果的对比可知, 两种程序的计算结果基本吻合, 这说明模型基本正确。
3.1 周期与位移
结构计算采用了平扭耦连的扭转效应的振型分解反应谱法。如表3所示, 1塔模型前两个振型分别为沿Y或沿X方向的平动, 第三振型为扭转振型, 结构第一扭转周期与第一、第二平动周期之比满足规范要求。在风荷载、地震作用下, 结构层间位移满足规范要求的1/800要求, 结构在风荷载作用下位移小于地震荷载作用下的位移, 地震作用对结构侧移起控制作用。结构的楼层最大层间位移 (或最大水平位移) 与平均层间位移 (或平均位移) 之比的最大值为1.26, 小于规范要求的上限值1.4, 满足设计要求。
3.2 刚度比分析
如图2, 图3所示, 计算结果表明, 各层的侧向刚度比大于相邻上一层的70%, 或上三层平均侧移刚度80%的比值中之较小者, 刚度比均满足要求。
从刚度曲线及刚度比曲线可看出刚度比在楼层12、楼层23有突变, 这是由于这两层层高变化所引起的。楼层4刚度比在0.3~0.4之间, 满足地下一层嵌固部位的要求。结构刚度比均满足规范要求。
3.3 层剪力和层受剪承载力
当整体计算时, 由于多塔结构在底盘上一层的平面布置有剧烈变化, 曲线突然收进, 说明塔楼与底盘的结合部结构竖向刚度和承载力发生突变, 形成薄弱部位。对于单塔计算, 楼层剪力曲线基本光滑, 无明显突变, 说明塔楼的竖向刚度变化比较均匀。同时结构的本层与上一层的抗剪承载力之比均能满足大于0.75的要求, 见图4。
4 中震, 大震计算
中震作用下的屈服控制要求:竖向构件SE<Ry, 次要及耗能构件不出现剪切屈服, 不宜出现弯曲屈服。通过加大底部加强区的剪力墙厚度和柱的截面, 验算构件强度, 满足要求。最大层间位移角1/395, 满足要求。弹性计算下, 其转换桁架无超筋出现, 即构件满足要求。高层建筑风荷载影响很大, 对于中震弹性计算, 风荷载不计入荷载组合。对于转换柱, 斜撑这些重要的构件在小震计算时各种调整措施对计算结果放大显著, 所以中震计算结果依然满足要求。大震计算所得到的X和Y向的需求层间位移角分别为1/166和1/241, 均未超过规范规定的限值1/100, 罕遇地震作用下结构的变形验算满足规范要求, 说明结构在罕遇地震作用下具有一定的倒塌能力, 结构的抗震性能满足抗震设防要求。
5 结构设计采取的技术措施
1) 人字撑转换桁架的柱、斜撑、梁均采用型钢混凝土, 使整个体系具有很好的延性, 防止结构产生脆性破坏。柱、斜撑采用中震弹性电算结果配筋。作为主要传力构件的斜撑尺寸为1 200 mm×1 200 mm, 翼缘钢板厚45 mm, 腹板厚35 mm。2) 人字撑上部节点, 中部节点处的翼缘之间连接均做了圆弧处理, 可有效避免应力集中, 实现强节点弱杆件的设计理念。3) 细腰形平面凹进部分占其相应投影方向总尺寸的49%, 小于限制50%。细腰部分的梁、板都要予以加强, 以增加抗扭能力;塔楼两侧悬挑部分长度5.8 m, 采取密肋挑予以加强, 挑梁根部受拉纵筋放大1.5倍, 箍筋全长加密。4) 为减轻结构自重、减小地震作用所采取的措施:框架柱采用型钢混凝土柱, 隔断墙采用轻质材料。5) 结构的刚度与地震力作用下的位移控制措施:现在计算结果表明结构在地震力作用下弹性阶段的层间位移为1/859, 小于规范1/800的限制要求。按照高规3.2.2条“对于特别重要或对风荷载比较敏感的高层建筑, 其基本风压应按100年重现期的风压值采用”, 因此本工程基本风压为0.60 k N/m2, 其位移限值由风荷载控制。验算结果风荷载下的弹性层间位移远小于规范1/800和1/1 000的限制要求。6) 提高混合结构延性的措施:框架柱采用延性与承载力均较好的型钢混凝土柱。加高塔楼边梁, 并加强构造措施。7) 转换层楼板加强措施。1层~3层局部楼板加厚至200 mm, 提高楼板的配筋率, 配双层双向配筋, 转换桁架与核心筒之间的板加配斜向钢筋。
6 结语
本工程结构布置通过调整力求简单、规则;刚度较为均匀, 采用了抗火性能较好、抗震能力得到加强的、延性性能得到改善的结构体系。通过多种电算软件计算, 结构在地震作用下的变形符合“高规”的限制要求。在进行构件的核算时有安全储备。通过采取相应的性能化设计和构造措施, 结构的延性也是有保证的。
参考文献
[1]中国建筑科学研究院.高层建筑混合结构关键技术研究[R].2009.
[2]JGJ 3-2002, 高层建筑混凝土结构技术规程[S].
[3]GB 50017-2003, 钢结构设计规范[S].
桁架式转换层 篇6
本工程为地下1层,地上19层的高层办公楼。建筑结构高度为99.90m,结构形式为框架一剪力墙结构。建筑结构的抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度为0.05g,设计地震分组为第一组,抗震设防类别为标准设防类(丙类),框架和剪力墙的抗震等级为三级。建筑平面如图1～3,转换部位建筑剖面图如图4。一～四层平面中部为共享大厅,中庭在一～四层不能布置柱,需要在第五层做转换层结构,承托五层以上的两根柱,承托层数为14层。转换层结构采用型钢混凝土桁架,轴线跨度为27.0m,桁架高度为第5层层高,桁架总高度为6.10m。剪力墙平面布置均匀、对称,而转换桁架位于转换层平面一侧,属于偏置,转换层平面扭转效应比较明显。在与转换桁架相对于剪力墙对称的位置布置了平面刚度平衡支撑,有效减缓了转换层的平面扭转效应。
2 转换层结构形式
本工程中的转换形式属于托柱转换。目前,常用的托柱转换结构形式主要有实腹梁式转换和桁架转换。实腹梁式转换层结构是目前建筑结构中实现垂直转换最常用的结构形式,由于其传力途径采用“柱-转换梁-柱(墙)”的形式,具有传力直接、明确的优点,便于工程计算、分析和设计。实腹梁式转换的形式有多种,从跨数上,可分为单跨及多跨;从上部结构形式上,可分为托墙和托柱;从转换梁结构采用材料上,又可分为钢筋混凝土（R.C)、预应力混凝土（P.C)和钢骨混凝土(型钢混凝土S.R.C)、钢结构(S)。在托柱形式的梁式转换结构中,当转换梁跨度很大、承托层数较多时,由于转换梁承托上部框架柱传递下来的竖向荷载将会很大,使得转换梁的截面尺寸大,配筋多,梁柱节点区纵向受力钢筋锚固困难。大跨度、承托层数较多的实腹转换梁在理论上可以实现,但实际设计中却不可行。首先,采用实腹转换梁不利于大型管道等设备系统的布置,不利于该转换层建筑空间的充分利用;其次,实腹梁转换构件截面尺寸大、自重大、刚度比较大,转换梁对转换层平面的刚度影响比较明显。当转换梁偏置时,由于转换梁刚度的影响,转换层平面的扭转效应更为突出。同时,实腹梁转换容易引起转换层上、下刚度突变,对结构抗震不利。另外,实腹梁转换梁的截面尺寸很大,存在明显的强梁弱柱问题,转换结构关键部位抗震性能较差。实腹梁式转换结构存在的问题一般很难解决,因此,在大跨度、承托层数较多的托柱转换结构中,需要寻找新的转换结构形式来替代实腹梁式式,具有传力直接、明确的优点,便于工程计算、分析和设计。实腹梁式转换的形式有多种,从跨数上,可分为单跨及多跨;从上部结构形式上,可分为托墙和托柱;从转换梁结构采用材料上,又可分为钢筋混凝土（R.C)、预应力混凝土(P.C)和钢骨混凝土(型钢混凝土S.R.C)、钢结构(S)。在托柱形式的梁式转换结构中,当转换梁跨度很大、承托层数较多时,由于转换梁承托上部框架柱传递下来的竖向荷载将会很大,使得转换梁的截面尺寸大,配筋多,梁柱节点区纵向受力钢筋锚固困难。大跨度、承托层数较多的实腹转换梁在理论上可以实现,但实际设计中却不可行。首先,采用实腹转换梁不利于大型管道等设备系统的布置,不利于该转换层建筑空间的充分利用;其次,实腹梁转换构件截面尺寸大、自重大、刚度比较大,转换梁对转换层平面的刚度影响比较明显。当转换梁偏置时,由于转换梁刚度的影响,转换层平面的扭转效应更为突出。同时,实腹梁转换容易引起转换层上、下刚度突变,对结构抗震不利。另外,实腹梁转换梁的截面尺寸很大,存在明显的强梁弱柱问题,转换结构关键部位抗震性能较差。实腹梁式转换结构存在的问题一般很难解决,因此,在大跨度、承托层数较多的托柱转换结构中,需要寻找新的转换结构形式来替代实腹梁式转换。
理论和工程实践表明,采用单层或叠层桁架结构是作为托柱转换层结构比较可行的方案。一方面,从结构的传力方式来看,转换桁架具有传力明确,传力途径清楚的特点。另一方面,转换桁架不仅使开洞与设置设备管道具备条件,而且开洞的位置和大小都有很大的灵活性,使充分利用转换层的建筑空间成为可能。再者,从经济指标来看,采用转换桁架其钢材和混凝土的用量比采用转换梁要少。桁架转换层的节间空隙采用轻质建筑材料填充,有利于减轻结构的自重。与实腹梁转换相比,桁架转换有其突出的特点,转换桁架的抗侧力刚度小,桁架转换上、下层刚度突变不明显。也就是说,具有桁架转换的高层建筑其质量和刚度的突变较缓和,地震反应小;当转换结构构件在结构平面中偏置时,桁架转换层的平面扭转效应减弱。与实腹转换梁相比,转换桁架
4种计算模型主要计算结果表1与转换柱连接的杆件截面尺寸与其转换柱的截面尺寸相当,很好的解决了转换结构中强梁(转换梁)弱柱(转换柱)的问题。用作转换构件的桁架一般有两种:空腹桁架和斜腹杆桁架。除上下弦杆外,仅有竖腹杆桁架的称空腹桁架;而只要有
注:1.侧向刚度、位移、位移比为与转换构件同轴方向——X轴(平面字母轴方向)地震作用下的计算数值。
斜腹杆,不管有没有竖腹杆,即称为斜腹杆桁架。一般情况下,当跨度不大于15m时,采用空腹转换桁架较为经济合理(预应力空腹转换桁架可适当加大),当跨度大于15m时,建议采用斜腹杆桁架。斜腹杆桁架通过斜腹杆改变竖向荷载的传力方向和途径,使得上、下弦杆的弯矩和剪力都有较大幅度的减小,且竖向刚度有较大的提高,有利于控制转换桁架的竖向位移。本工程地上1 9层,需要转换的层数为14层,转换层的层高6.10m,从荷载级别及受力分析来看,设计成单层斜腹杆转换桁架可以很好的满足工程的要求。
注:作用于桁架的集中力的大小不影响桁架的内力分布,所以为了便于分析,作用于桁架的集中力大小为1000KN。
本工程剪力墙平面布置均匀、基本对称,而转换桁架位于转换层平面一侧,属于严重偏置,转换层平面的地震扭转效应比较明显。为了解决此问题,在转换层平面中布置平面刚度平衡支撑。刚度平衡支撑布置位置为转换桁架相对剪力墙对称位置居中布置,刚度平衡支撑采用型钢混凝土交叉支撑。
为了选择合理的转换层结构布置方案,在实际工技术有限公司的midas Building软件对实腹梁转换和桁架转换的结构进行分析对比,对转换结构方案进行优化。对比分析时,建立4种计算模型进行分析,在4种计算模型中除转换层以外其它楼层所有模型数据均相同。(1)实腹梁式转换,转换梁高为转换层整层高度,在转换梁相对剪力墙对称位置不布置刚度平衡支撑;(2)实腹梁式转换,转换梁高为转换层整层高度,在转换梁相对剪力墙对称位置布置刚度平衡
桁架内力统计（KN)表2支撑;(3)桁架转换,转换桁架高度为转换层整层高度,在转换梁相对剪力墙对称位置不布置刚度平衡支撑;(4)桁架转换,转换桁架高度为转换层整层高度,在转换梁相对剪力墙对称位置布置刚度平衡支撑。以上4种计算模型完全按工程实际数据建立、计算、分析。通过计算分析,对4种模型的转换层上下刚度、结构在转换层的层间位移、结构在转换层的最大位移比等进行汇总、比对、分析。表1为4种计算模型的主要计算结果汇总。
从表1的分析计算结果可以明显看出:(1)转换桁架的刚度明显小于实腹梁式转换,与实腹梁式转换相比,桁架转换的抗侧移刚度减小将近20%,转换层与下一层的楼层侧向刚度比可以充分体现实腹梁式转换与桁架转换的转换层平面抗侧移刚度的不同。从转换层层抗侧刚度来看,转换结构构件优先选择桁架转换。(2)位移比的结果可以充分体现刚度平衡支撑的作用。由于布置了刚度平衡支撑,转换层的抗侧移刚度有所增加,转换层的最大层间位移角的计算结果变化就是刚度平衡支撑所引起的。从表1的位移比结果可以看出,由于实腹梁式转换构件的刚度偏大,刚度平衡支撑的作用不是特别明显;而在桁架转换中,平面刚度平衡支撑的作用显著。
在转换层抗侧移刚度增大、转换层最大层间位移角减小的前提下,转换层的扭
转位移比明显减小,刚度平衡支撑显著减缓了转换层的扭转效应,从本质上提高了转换层及整个结构的抗震性能。
经过计算、分析、对比,本工程采用单层斜腹杆桁架作为转换结构构件,同时布置刚度平衡支撑来解决转换层中由于转换结构构件平面偏置引起的平面扭转效应明显的问题。
3 转换桁架杆件布置形式
在作用荷载大小、跨度尺寸、桁架高度(矢高)不变的情况下,当桁架的杆件布置形式不同时,桁架各杆件的内力分布是不同的,有时差别较大。由于转换桁架的跨度较大,桁架杆件截面尺寸相对较大,杆件的内力也很大,转换桁架各杆件若按铰接设计,很难实现,所以,将转换桁架设计成刚性桁架。在刚性桁架中,各杆件之间为刚性连接,相当于在铰接桁架的基础上,在连接节点处增加了限制转动的多余约束,使静定结构的铰接桁架转化成超静定结构的刚性桁架。由于转换桁架杆件截面大,能够承受一定的弯矩和剪力,按刚性桁架设计可以显著提高桁架整体承载能力和抗震性能,有效提高转换结构的可靠度。图5为8种桁架杆件布置方案。
通过对布置方案的桁架杆件内力计算分析,桁架以轴力控制为主,弯矩、剪力为非控制因素。所以,在选择桁架杆件布置方案时以桁架轴力作为主要参数进行分析。表2为各布置方案桁架轴力统计表。对表2的轴力大小进行统计、分析,上弦杆压力差值约为5%;下弦杆拉力差值约为6%;腹杆差别较大,腹杆的压力差值约为24%。轴力绝对值的大小顺序为:上弦杆大于下弦杆,下弦杆大于腹杆。通过对不同桁架杆件布置形式的轴力统计分析,得出如下结论:①桁架上下弦杆的轴力相对较大,是桁架控制轴力;②桁架节间腹杆的数量对上下弦杆的轴力最大值的影响不大;③桁架节间腹杆的数量影响腹杆轴力的大小和分布,桁架腹杆的轴力相对于弦杆较小,不是控制轴力,节间腹杆的数量没有必要布置太多,满足桁架基本体系的要求即可;④下承式桁架的抗震性能比上承式桁架要优越,下承式桁架支座处以轴向压力为主,传力直接,容易设计成塑性结构构件,支座处杆件的受力方式与支座处柱类似,型钢混凝土结构构件以压弯为主,起到承上启下的作用。而上承式桁架在支座处以杆件受拉为主,不容易设计成塑性结构构件;⑤对称型节点构造简单、结构杆件种类少,承载能力高和抗震性能优越。
在选择桁架杆件布置方案时,首先要满足结构设计的基本条件:(1)桁架杆件内力分布合理;(2)转换桁架的传力途径简单、直接;(3)节点受力合理,节点构造容易实现;(4)构件类型少,施工方便。通过对不同桁架杆件布置方案的内力分析、比较,方案（7）属于下承式桁架,桁架腹杆数量适当,杆件规格少,节点构造对称、简单,桁架内力分布比较合理,传力途经明确,桁架节点处都有平面梁作为桁架的平面外支撑点。选择方案(7)作为转换桁架的杆件布置方案。
4 转换桁架的杆件材料
桁架结构的杆件材料主要有四种:(1)钢筋混凝土(R.C):钢筋混凝土是比较常用的结构构件材料,具有一般的结构材料不可替代的优越性,但是对于本工程的转换桁架来说,由于桁架跨度大,承托荷载重,普通钢筋混凝土构件很难满足设计要求。(2)预应力钢筋混凝土(P.C):一般在桁架下弦杆施加预应力,可提高下弦杆在拉力较大时的抗裂性能,同时可显著提高桁架的承载能力。在大跨度、重荷载的转换桁架中,上、下弦杆及腹杆的轴力都比很大,一般预应力钢筋混凝土构件也很难满足,即使勉强达到要求,截面尺寸也会很大。(3)钢材(S,型钢):钢材是比较理想的建筑结构材料,质地均匀,各向同性,强度高,重量轻,施工质量好,在有些情况下无法用其它建筑结构材料代替,如重工业厂房、超高层建筑、超大跨度结构、高耸结构等等。以H型钢或焊接工字钢作用转换桁架的杆件,杆件及节点在工厂加工,施工现场拼装,施工方便,施工进度快。由于钢材力学性能的不断改善以及钢结构构件加工工艺的不断更新和发展,型钢桁架比较容易满足转换桁架的设计要求。而且型钢桁架的抗震性能优越,是比较理想的弹塑性结构构件。由于本工程转换桁架的杆件内力较大,大部分杆件(除下弦杆外)以受压为主,这对钢结构构件来说是很不利的,在轴向压力较大时型钢构件很容易失稳(主要是局部失稳),为了满足钢结构构件稳定性的要求,有时杆件的截面尺寸和杆件板材的厚度会很大,用钢量明显增加,不经济,而且高层建筑的耐火要求较高,钢结构有一定的耐热性但不防火。为了提高钢材的耐火性能,要采取一些防火、耐火措施,其投入成本也很高。(4)型钢混凝土（S.R.C):型钢混凝土是在钢筋混凝土和钢结构的基础上发展起来的组合结构构件形式,型钢混凝土结构构件可以充分发挥两种材料的优势,两种材料组合后的整体工作性能要明显优于二者性能的简单叠加。与钢筋混凝土结构构件相比,型钢混凝土结构构件截面尺寸小,自重轻,增大有效使用空间,减小地震作用,节约模板,特别是型钢混凝土组合结构构件具有较好的延性。与钢结构相比,型钢混凝土结构构件用钢量少,降低造价,刚度大,稳定性和整体性高,耐火性和耐久性优越。理论分析和灾害实践表明,单纯的钢筋混凝土结构和单纯的钢结构的抗震能力和耐久性均低于型钢混凝土组合结构。由于外包混凝土的存在,解决了钢结构构件在压应力作用下容易失稳的问题;由于钢筋混凝土抗压性能优越,钢与钢筋混凝土组合的型钢混凝土结构构件的抗压承载力很高;由于钢筋混凝土耐火性能好,外包钢筋混凝土对钢结构构件起到了保护作用,解决了钢材耐火性能差的问题,提高了钢结构构件的耐久性能。型钢混凝土桁架承载能力高,抗震性能优越,耐火、耐久性能好,适用于中、大跨度结构屋盖结构及转换结构。以减轻结构自重、提高转换桁架的承载能力和抗震性能、改善转换桁架的耐久性、防火性以及降低成本为出发点,本工程最后选用型钢混凝土作为转换桁架的结构杆件材料。
钢管(矩形)混凝土桁架结构的承载能力、抗震性能等均高于型钢(H、工型钢)混凝土桁架结构,但是钢管混凝土桁架节点处相交杆件较多,同时又有斜向杆件,钢管内混凝土质量(密实度)不容易达到要求,尤其是节点处的混凝土质量不容易满足要求,施工难度大。考虑到当地施工队伍的施工技术能力及施工现场条件,没有选用钢管混凝土桁架结构。当混凝土的性能不断改善和提高,施工技术达到一定水平时,钢管混凝土桁架将是相对最优的转换结构杆件形式。
5 型钢混凝土转换桁架中的型钢
骨架承受转换结构层结构施工阶段的荷载本工程转换层位于地上第五层,采用传统的施工工艺,地上一～四层将采用满堂脚手架来支持转换层结构的施工荷载,地下室顶板承受上部脚手架传来的转换层施工荷载。为了承担施工荷载,需加大地下室顶板处的结构构件的竖向承载力。当采用型钢混凝土转换桁架时,由于转换桁架的承载能力很高,型钢混凝土转换桁架内的钢骨架具有很高的承载能力,可以承受转换层施工阶段的荷载,可将模板悬挂在钢骨架上,省去脚手架支撑,降低地下室结构的建造成本,加快施工速度,缩短施工周期。
6 结语
(1)本工程属于高位、大跨度转换结构,其承托层数与跨度在现有的建筑中都比较突出。转换结构采用型钢混凝土（S.R.C)桁架。转换结构构件的强度和刚度往往是相互关联的,但对于结构抗震来说又是矛盾的。为了提高竖向承载能力,结构构件的截面将会比较大,从而造成转换构件的刚度也会明显增大,转换构件的刚度增大往往又会对转换层的抗震性能产生明显的不利影响。型钢混凝土转换桁架的抗侧刚度明显小于实腹梁式转换,而且其承载能力和抗震性能又明显优于实腹梁式转换结构,有效的解决了转换结构结设计中刚度和强度的矛盾问题。型钢混凝土桁架适用于跨度较大、承托层数较多的转换结构,经济适用、安全可靠。
(2)型钢混凝土构件的内部型钢与外包钢筋混凝土部分形成整体,共同受力,其受力性能优于型钢部分和钢筋混凝土部分的简单叠加。充分发挥了型钢与钢筋混凝土结构各自的特点。型钢外包钢筋混凝土,可避免型钢过早出现局部屈曲或整体失稳,并具有耐火性好、节省钢材的优点;在混凝土中增加型钢,承载力大、抗震性能好,在增强结构构件承载能力的同时,显著减小结构构件的截面尺寸,降低转换桁架的整体刚度。
(3)本工程转换结构在转换层偏置,转换层扭转效应明显。在转换层结构平面中设置刚度平衡支撑,有效的解决了转换层扭转效应明显问题。刚度平衡支撑显著提高了转换层结构及整体结构的抗震性能。
(4)在转换结构设计时,搜集了大量资料,从理论和工程实践两个方面入手,了解、分析、研究转换结构的设计方法。根据不同形式的转换层结构的特点和适用范围,选择适合本工程实际的斜腹杆桁架作为转换结构构件;依据计算分析得到的不同桁架布置形式的内力特征,应用混凝土、钢结构、型钢混凝土等建筑结构材料的力学特性,并与工程的实际情况相结合,选择型钢混凝土作为转换桁架结构杆件的材料。每一个工程项目的结构设计都有其特有的自身特点,我们在进行结构设计过程中,必须要充分了解工程自身的结构特点,然后应用已有的建筑结构设计理论,并参考已有的工程实际案例,选用合理的结构方案,依据结构本身的力学特性来选择适用的结构材料。
摘要：本工程为地下1层,地上19层,地上第5层为结构转换层。转换结构采用型钢混凝土桁架,其轴线跨度为27.0m。型钢混凝土桁架转换结构可以显著缓和高层建筑质量和刚度的突变。转换桁架构件为型钢混凝土结构构件,充分发挥了型钢与钢筋混凝土结构各自的力学特性,型钢外包钢筋混凝土,可避免型钢过早出现局部屈曲或整体失稳,并具有耐火性好、节省钢材的优点;在混凝土中增加型钢,具有承载力大、抗震性能好等优点。型钢混凝土桁架适用于跨度较大、承托层数较多的拖柱转换结构,经济适用、安全可靠。
关键词：转换桁架,型钢混凝土,刚度突变,刚度平衡支撑
参考文献
[1]聂建国.钢-混凝土组合结构[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.3(2011.10重印).
[2]赵国藩.高等钢筋混凝土结构学[M].北京:机械工业出版社,2005.8(2011.6重印).
[3]唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.
[4]张维斌.钢筋混凝土带转换层结构设计释疑及工程实例[M].北京:中国建筑工业出版社,2008.12(2011.10冲印).