带钢桁架转换层高层建筑结构的设计分析

带钢桁架转换层高层建筑结构的设计分析

王茜

(宁夏石嘴山市星瀚市政产业集团公司润泽供排水有限公司，宁夏石嘴IU

753200)

狰商要]目前，随着高层建筑的迅建发疆，建筑功能的要求也日益复杂化，建筑结构常常需要栗用结构转换层来完成上、下层建筑物结构

的转换。一般结构层相比，转换层结构具有结构重量大、结构层刚度大、几何尺寸超大、受力复杂等特点。这意味着转换结构组成了建筑物的主要构件，它们的设计是否合理、安全、经济对整个结构的安套}生、结构造价、施工费用等有着重要的影响。

联键词]转换桁架；高层建筑结构；设计分析

1转换层结构在当前高层建筑中的应用结构形式选择

转换层结构在当前高层建筑中应用时可采用的结构形式有多种，有梁式转换、箱式转换、桁架转换、厚板转换等。而梁式转换层结构是目前实现垂直转换的最常用的结构形式，由于其具有传力直接明确、计算分析清楚、构造简单方便等特点，在转换层结构体系的选择中成为首选。但在托柱形式的梁式转换层中，当转换梁跨度很大：且承托层数较多时，由转换梁承托上部框架柱传递下来的竖向荷载会很大，致使转换梁的界面尺寸过大。这在设计理论上可以实现，但实际实施中却不可行。再者，采用转换梁也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。此时若根据上下柱网的轴线位蚤采用桁架转换层设置则可巧妙的解决此问题。

由于当前桁架转换层结构的设计在实际工程应用中没有相关的可遵循的设计思想和设计原则，作为设计依据的国家规范对于桁架转换层结构的设计也仅在《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3—200)中的第10章的10224条中有一定的相关论述，这使得设计人员在实际设计过程中难以对桁架转换结构进行结构选型、截面确定、计算模型确定、计算方法确定等一系列结构设计关键问题有着较为；隹确的把握。

2高层建筑转换桁架的结构形式分类

转换桁架主要用于承受竖向荷载，转换桁架的受力特征主要表现为竖向荷载作用下的受力规律。转换桁架的工作机制可视为由多根截面较大的弦杆(梁)共同承担上部荷载的工作机制，各腹杆改变了竖向荷载的传力方向和位置，起卸载作用。根据桁架腹杆的分布情况的不同，高层建筑转换桁架的结构形式主要有：空腹桁架、斜杆桁架、交叉余'：14-T-桁架：但由于转换桁架承受的竖向荷载往往是相当大的，有时上部有十几、二十几甚至三十几层的荷载，单层的转换桁架在计算上无法满足结构要求，此时就必须设置双层或多层的转换桁架结构，即叠层桁架转换体系，当然还包括由于建筑立面美观或结构简化受力的目的而采用的无竖腹杆的交叉斜杆桁架；以及由于桁架受力较大，为更好的保证桁架端部与柱的锚固及减小桁架端部柱的内力，实际工程中往往将桁架体系伸过所要转换跨的下一跨。

3高层建筑转换桁架的设计原则及构造要求

1)带桁架转换层的结构应按“强化转换层及其下部、弱化转换层上部”的原则，使转换层上下主体结构的侧向刚度尽量接近，平滑过渡。

2)将转换桁架置于整体空间结构中进行整体分析。此时，腹杆作为柱单元，上、下弦杆作为梁单元，按空间协同工作或三维空间分析程序计算整体的内力和位移。计算时，转换桁架按实际杆件布置参与整体分析，但上、下弦杆的轴向刚度、弯曲刚度中应计入楼板的作用。

整体结构计算需采用两个以上不同力学模型的程序进行抗震计算，还应进行弹性时程分析并宜采用弹塑’I生a'd程分析校核。

3)带钢桁架转换层的结构设计中应按转换层“强斜腹杆，强节点”：桁架转换层上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则，以保证转换层的结构具有较好的延性，确保塑性铰在梁端出现，能够满足工程抗震的要求。

4)换桁架的弦杆相邻位置设置边梁使其受力更为合理。如果在布置转换桁架弦杆的二、三、四层的弦杆相邻位置设置一根边梁，保证与桁架相邻的楼面的荷载通过与桁架节点相连的横梁以集中力的形式传递至桁架的节点上，这样可以使转换桁架的弦杆受力特点更与普通的桁架

一致，即弦杆的受力形态以轴力为主，尽量减少弦杆受到弯矩作用，特别是平面外弯矩的作用，使转换桁架的受力更为合理。

5)转换钢桁架的下弦钢骨混凝土部分后浇使型钢钢骨预先受力。由于桁架下弦为主要受轴向拉力作用的构件，在计算中我们主要以型钢构件输入进行计算，而在实际的设计中为了使下弦杆与周边的梁与板更好的连接，设计人员将下弦枰设计成为以型钢为钢骨的钢骨混凝土。在轴向拉力的作用下，由于钢的极限拉应变远大于混凝土的极限拉应变(钢筋的极限拉应变将达001)，为了使型钢钢骨预先受力、混凝土内的裂缝开展较小，设计时采取了下弦杆混凝土后浇的做法。这样，当上部较大荷载作用至转换桁架时，下弦的型钢受到较大的拉力，产生了相当的拉应变，然后在浇筑混凝土时，型钢内增加的拉应力相对有限，大大的减缓了混凝土内裂缝的开展。

6)‘增加弦杆弦杆两侧混凝土板的厚度有效保证水平力的传递和桁架的稳定。规范规定，转换层结构的楼板厚度不宜小于180mm。并配置双层钢筋，而在前面的分析中我们已经知道，当弦杆考虑板的作用时，对转换桁架的受力更为有利。这一方面可以使设计人员在建筑限定梁高的情况下充分加大弦杆的刚度：另一方面作为转换桁架弦杆平面外稳定最有力的支撑和保障构件，加厚楼板后可以更好的保证桁架弦杆的平面外的稳定：再有，结构的水平力传递主要依靠楼板和转换构件，因此楼板和转换构件都要承受较大的剪力，并且有一个交互和传递的过程，如果转换桁架的弦杆仅有一侧的楼板可以相连，可以加厚与之相连厚，这样更好的保证转换桁架上的水平力向转换层楼层平面内转移，使转换层的整体受力更为均匀。

4结论

1)在大跨度、大荷载条件下应用桁架转换结构将比采用梁式转换更合理，并且可以节约混凝土用量近30％，用钢量可节约20％。

2)在采用桁架结构作为工程的转换构件时，带竖杆的斜杆桁架中各构件的内力较为接近，可以取得较为一致美观而又经济的截面：而不带竖杆的斜杆桁架中各构件的内力差别较大，最大将达40％左右。

3)在单独对转换桁架的内力分析中，转换桁架上部仅取～层框架时其计算结果比取三层框架以上时误差将达到1O％左右：而在转换桁部取三层框架以上日寸，其计算结果的误差值将控制在2％左右，完4)转换桁架两侧支承柱刚度的变化对桁架的内力有较大的影响，内的内力增幅较大，弯矩最大增幅达86％；而对于弦杆及斜杆则内力有所减小，减／J、幅度最大的是下弦杆，将达217％。

5)对于处于外立面上的转换桁架在考虑昼夜温差25℃时的内力分％，应引起足够的重视：而对于一些水平构件，其比例将升高，最

9％，但通过观察，其影响对于构件是有利的；在～些斜杆

中，温差产生的轴力甚至超过了恒载产生的轴力，但对于斜杆的截面而(参考文献]

【1]JGJ3—2002禹层建筑混凝士结构技术规程IMl北京：中国建筑工业出版

社．2002

f212程懋垫，奠沛锵，汪大绥，博学怡高层建筑结构构造资料集fM】．北京：中国

建筑T业出版社，2005

楼板的板架上全满足工程精度的要求。

柱刚度增大时，柱析表明在主要竖向构件中温度应力与恒载引起的应力的最大比例为83大将达侣言，其承载力远远大于温差产生的轴力。