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 [摘要]为满足某商住综合楼底部大空间的功能要求,本文通过方案比选推荐采用混凝土斜腹桁架转换结构,同时介绍了混凝土斜腹桁架转换结构的结构设计及加强措施,并通过该工程的长期检测结果证明了混凝土斜腹桁架转换体系在大跨度高层建筑中是安全可靠、经济合理的,可供以后类似工程的结构设计参考和借鉴。

[关键词]高层建筑;斜腹桁架;转换体系

1工程概况

某市商住综合楼工程,地下2层,地上31层,建筑总高度为99.8m。设防烈度为6度(0.05g),标准设防类,设计地震分组系第一组,特征周期值0.35s,Ⅱ类场地。主楼采用部分框支剪力墙结构,转换层兼设备层设置在第3层,层高4.75m,转换层以上为剪力墙住宅,转换层以下为12m×12m大柱网,用于商业用途的自由空间,建筑平面图如图1所示。为满足建筑功能的要求,主楼采用部分框支剪力墙结构体系,利用中部楼电梯间设置剪力墙作为抗侧力构件。

2转换方案比选

由于上部剪力墙无法落地,需在三层楼面设置托墙转换结构,为追求合理的转换体系,对转换深梁方案、钢骨混凝土组合梁、空腹桁架方案、斜腹杆桁架4个方案进行了试算和比选,各方案转换体系示意图如图2所示。采用混凝土转换深梁进行体系转换时,转换梁的轴力较小,弯矩和剪力较大,即通过转换梁的受弯受剪来承受上部剪力墙传来的竖向荷载。这就要求转换梁的截面够大,往往大于框支柱的截面,易造成框支柱柱端弯矩、节点剪力过大,不易形成“强柱弱梁”的破坏机制,对抗震不利。同时,过大的转换梁截面严重影响了建筑的净高,自重大、配筋多都是此种转换方案的劣势。采用钢骨混凝土结构进行体系转换时,钢骨的配置使得构件的承载能力极大提高,能有效减小转换梁、转换柱的截面,同时抗剪承载力和延性的提高又改善了结构的抗震性能。但钢骨混凝土结构的施工较复杂,工序繁琐,工期较长,既要求钢结构的制作与安装,又要求支模、绑钢筋,浇筑混凝土较困难,同时钢骨混凝土中钢材的用量较大,工程成本较高。空腹桁架由上弦杆、下弦杆以及直腹杆组成,采用此种桁架转换体系时,结构受力均匀、传力明确,但所需直腹杆截面较大,且腹杆承担的竖向荷载不能直接传递到框支柱,弯矩由上下弦杆承担,与转换深梁相比,上下弦抗弯纵筋与抗剪钢筋总量相当,经济效益不明显[1]。另一方面,楼层的结构质量和侧向刚度在转换层处竖向不连续,对结构的整体抗震性能不利。采用斜腹桁架体系转换时,受力机理类似于中间开洞的深梁,传力直接:下弦杆受拉,上弦杆、斜腹杆受压,即以构件的受拉或受压代替构件的受弯受剪来承受上部结构传来的竖向荷载,因此杆件的截面较小,配筋较少[2];另一方面,转换桁架间的空间可作为建筑的设备层,位置和大小都具有很大的灵活性,能有效提高建筑空间的使用率[3]。最终,在技术合理性、满足建筑立面效果、综合造价及施工的难易程度等方面优选推荐普通混凝土斜腹桁架转换方案。在该项目的初步设计评审会上,普通混凝土斜腹桁架转换方案得到了省内著名结构专家的肯定,认为此种结构形式在湖南省内尚属率先采用,只要措施得当应是一种非常适合大跨度转换结构的结构形式。普通斜腹桁架转换层平面布置图如图3所示,转换部位示意图如图4所示。

3混凝土斜腹桁架转换体系的结构设计及加强措施

3.1结构设计。1)双向布置连续多跨双向布置转换桁架,能有效平衡和减少杆件内力。2)刚度渐变原则沿结构竖向,转换层上下结构侧向刚度需满足《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—2010)[4](以下简称高规)第3.5.2条的要求。在结构建模计算过程中首先要合理布置转换层以下落地剪力墙,其次要合理布置转换层以上标准层剪力墙,再调整桁架上弦、斜腹杆、直腹杆、下弦截面大小,必要时还需调整每榀桁架上弦之间双向井字梁截面,使转换层上下层刚度平稳过渡并确保转换层上部标准层(加强层)的剪力墙、连梁配筋正常,最后,通过反复调整与计算,使整个模型侧向刚度满足规范的要求。

3)转换桁架兼设备层转换桁架层层高4.75m,在结构建模计算时,作为一个楼层考虑其侧向刚度的变化,同时转换桁架的内部空间作为建筑的设备层使用,极大地提高了建筑空间的利用率。

4)强斜腹杆、强节点从结构受力状态方面看,转换桁架的杆件都是轴心或小偏心受力构件,节点区的受力与构造较复杂,设计不当时易发生节点的脆性破坏,且框支柱节点处理较为复杂。因此,对转换桁架的节点采用有限元软件包络设计与现场的精心施工显得同样重要。

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