大跨度高层建筑结构设计探讨

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］。

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。

3.2加强措施。1)剪力墙底部加强部位按照高规［4］第10.2.2条要求，带转换层的高层建筑结构，其剪力墙底部加强部位的高度应从地下室顶板算起，宜取至转换层以上两层且不宜小于房屋高度的1/10，所以，本工程1～5层为底部加强部位。

2)抗震性能化设计由于本工程属于转换结构，竖向不规则，按《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)［5］(以下简称《抗规》)第6.1.2条、《高规》第10.2.6条要求，为提高其抗震性能，对转换层以下框支柱、剪力墙底部加强部位的剪力墙进行抗震性能化设计，性能化设计目标为“中震弹性”。同时，本工程的转换桁架、框支柱及底部加强部位的剪力墙其抗震等级由原二级提高到一级进行抗震构造措施的加强。3)楼板整体计算参数指标时假定楼板是刚性楼板，为了复核计算桁架上下弦的轴力将对应上下弦的楼板定义为弹性楼板，综合二者结果进行包络设计。桁架上下弦对应的楼板板厚均取180mm厚，双层双向通长钢筋网，每层每方向钢筋网的配筋率不小于0.3%。此处理方式有助于有效“分担”下弦轴向拉力，即可有效减小下弦的截面和配筋又有利于更好地控制下弦的裂缝宽度。

4)节点处理在结构建模时，桁架上下弦杆、斜腹杆及直腹杆应分别按偏心受力构件(按柱考虑)进行承载力验算，应避免腹杆的截面取值过大即轴压比很小时而导致的剪切(脆性)破坏。在计算过程中发现，当斜腹杆、直腹杆的轴压比控制在0.5～0．55时，其截面满足承载力的要求，且配筋基本上是构造配筋。斜腹桁架的弦杆及腹杆内钢筋设置较多，钢筋的连接、穿插及锚固较复杂，以下几处构造问题需要精心处理:①下弦杆、斜腹杆与框支柱的节点;②上弦杆、斜腹杆与直腹杆的节点;③直腹杆与下弦杆的节点。以上节点按照有限元计算所得节点应力云图并参考屋架及桁架桥端部节点构造进行配筋，构造大样如图5所示。

4检测结果

该项目自施工(2006年)开始，建设单位便委托长沙某科研单位将该工程列入检测课题，定期对该工程的斜腹桁架转换层的裂缝挠度进行检测。该项目竣工多年，每年每季的检测结果都能完全满足设计要求。

5结论

1)对转换结构的方案比选，有利于获得既满足建筑功能要求，又安全经济合理的结构方案。本工程采用的混凝土斜腹桁架转换结构传力明确、质量分布均匀、刚度突变平缓、抗震性能好，可有效提高建筑空间的利用率。

2)本工程对混凝土斜腹桁架转换层采用抗震性能化设计，同时对转换桁架各节点进行有限元应力分析，对上下弦对应的楼板进行包络设计，既保证了结构的安全性，又经济合理。3)该工程的长期检测结果表明:当转换桁架布置合理、多模型计算包络设计和构造加强措施得当时，混凝土斜腹桁架转换结构用于大跨度高层建筑转换结构设计中是安全可靠的，可供以后类似工程的结构设计参考和借鉴。

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