1、帶多連體的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)StructralDesignofaComprehensiveHigh-RiseBuildingwithSeveralTransferStructures蘇項(xiàng)庭，馮永偉，洪淵SUXiangting,FENGYongwei,HONGYuan（浙江省建筑設(shè)計(jì)研究院，浙江杭州310006）摘要:介紹了一幢具有三處連接體的復(fù)雜高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)說(shuō)明了轉(zhuǎn)換桁架的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，橫置H型鋼在轉(zhuǎn)換桁架中的應(yīng)用及型鋼混凝土節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。介紹了結(jié)構(gòu)整體參數(shù)的控制以及小震彈性時(shí)程分析。最后總結(jié)了此類結(jié)構(gòu)應(yīng)采取的抗震加強(qiáng)措施。關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)換桁架；橫置H型鋼；多連體結(jié)構(gòu)現(xiàn)代化建筑不斷在追求個(gè)性，大懸挑

2、、高空連廊、通高大堂、立面收進(jìn)等元素得到廣泛運(yùn)用；建筑平面功能分區(qū)及相互關(guān)系也呈現(xiàn)多樣化，大型會(huì)議室、宴會(huì)廳、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等場(chǎng)所在高層建筑內(nèi)隨處可見(jiàn)。得益于大量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)，各種奇形怪狀建筑都可以建模計(jì)算并得到結(jié)果，并可利用多種軟件相互驗(yàn)證。然而，如何在滿足建筑師要求的同時(shí)，合理利用結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，化繁為簡(jiǎn)，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)各種挑戰(zhàn)。本文結(jié)合某超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，論述設(shè)計(jì)中各類問(wèn)題的解決措施。1工程概況該建筑位于杭州市武林廣場(chǎng)東側(cè)中河高架和環(huán)城北路交叉口，總用地面積為24509m2,建筑面積為119500m2。地上由一幢22層高層建筑和一幢2層（局部3層）建筑組成，其中高層建筑結(jié)構(gòu)總高度為99.

3、9m,底部?jī)蓪訉痈邽?.1m,其余層高為4.2m。主要功能為生產(chǎn)用房、數(shù)據(jù)中心及會(huì)議室等；地下3層外加局部夾層，為地下車庫(kù)及地塊內(nèi)相關(guān)設(shè)備用房。圖1為其建筑效果圖。作者簡(jiǎn)介：蘇項(xiàng)庭（1983-）,男，福建莆田人，工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作圖1建筑效果圖2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)本工程主樓平面呈三角形布置，三角形兩直角邊約為100米和60米，平面形狀不規(guī)則；平面中部存在兩個(gè)連體，連體層數(shù)較多，分別為15層和9層；為了建筑功能需要，連體之間布置數(shù)層中庭，中庭最大跨度約為20米；南邊連體在16層結(jié)束，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)高位收進(jìn)；另外，還存在個(gè)別穿層柱和大開(kāi)洞等不規(guī)則。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范1,應(yīng)列為特別不規(guī)則建筑。3

4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)結(jié)構(gòu)高度及建筑布置，主樓擬采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系2,在樓梯電梯及設(shè)備間設(shè)置閉合剪力墻，并根據(jù)扭轉(zhuǎn)參數(shù)需要，在外圍框架柱之間設(shè)置帶邊框剪力墻。連體層數(shù)較多，為了減輕自重并便于施工，擬采用鋼結(jié)構(gòu)結(jié)合鋼筋桁架樓承板，連接體采用平面鋼桁架作為轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，與主樓連接處設(shè)置型鋼混凝土柱。連體之間的中庭利用單向鋼梁較接于兩側(cè)鋼框架。主樓結(jié)構(gòu)模型如圖二所示。a剪力墻b框架柱和鋼桁架c整體結(jié)構(gòu)圖二主樓結(jié)構(gòu)體系3.1 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平面中部北入口處設(shè)置六層通高大堂，為了保證大堂通透效果，該范圍內(nèi)不布置豎向構(gòu)件。平面中部南邊為室外車道，也不能設(shè)置豎向構(gòu)件。因此形成了南北兩個(gè)連體結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖三），連體跨度為36

5、米。連接體采用平面鋼桁架，其中北邊連體設(shè)置3根桁架，南邊連體設(shè)置2根桁架。在第二中庭處設(shè)置大型會(huì)議室，導(dǎo)致北邊連體第2、3根桁架平面內(nèi)鋼框柱先后中斷，需再設(shè)置轉(zhuǎn)換。為了保證結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單，傳力路徑清晰，將北部連體分為上下兩個(gè)連接體，并結(jié)合局部吊柱，將上下結(jié)構(gòu)徹底隔開(kāi)。1根北邊2根悟北邊3根南邊2根丁r產(chǎn)：I?!LYJK和PKPM分別對(duì)各工況下桁架的受力性能進(jìn)行校核，結(jié)果顯示，三者計(jì)算出的支座處桁架腹桿軸力誤差不大于10%。為計(jì)算桁架層水平構(gòu)件的軸向力，應(yīng)將桁架層樓板設(shè)為彈性樓板，也可以將板厚設(shè)為零并在樓面包載中考慮板自重3。3.2 橫置H型鋼的應(yīng)用及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)由于連體層數(shù)較多，荷載較大，經(jīng)試算，采

6、用普通H型鋼截面，鋼桁架腹桿截面很大，翼緣和腹板厚度均較大。作者考慮到桁架桿件均以承受軸向拉壓力為主，因此借鑒橋梁工程中常用到的橫置H型鋼受力形式。使用H型鋼有如下優(yōu)點(diǎn)：a）正放H型鋼，當(dāng)內(nèi)力較大時(shí)，一般通過(guò)增加翼緣寬度和厚度來(lái)滿足應(yīng)力比要求，如果翼緣寬度加大，桁架的厚度也變大，進(jìn)而影響桁架兩端型鋼混凝土柱的截面。如果柱子與電梯井道、樓梯間等相鄰，則翼緣寬度不能隨意加大。對(duì)于橫置H型鋼，腹板高度可根據(jù)建筑通道要求取合適尺寸。因此，同一根桁架，只要保持腹板高度一致，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)軸力大小改變翼緣的寬度和厚度即可。b）正放H型鋼，當(dāng)內(nèi)力較大時(shí)，無(wú)論與勁性柱內(nèi)置型鋼腹板或翼緣連接，均為面外焊接，容易導(dǎo)致

7、柱內(nèi)型鋼層狀撕裂。而橫置H型鋼與勁性柱內(nèi)置型鋼連接為平面內(nèi)焊接，不存在層狀撕裂可能。c）采用橫置H型鋼的桁架，主要通過(guò)翼緣傳力，節(jié)點(diǎn)處翼緣板可整塊切割，應(yīng)力集中效應(yīng)較小。節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單（見(jiàn)圖五），可在工廠加工完成，現(xiàn)場(chǎng)安裝只需要在節(jié)點(diǎn)外采取全焊接拼接。d）一般桁架弦腹桿以軸心受力為主，一般受穩(wěn)定應(yīng)力控制，只要調(diào)整好H型鋼X,Y兩方向的慣性矩，使之相近，則兩向穩(wěn)定應(yīng)力比相近，可最大程度利用鋼材性能。圖五橫置H型鋼弦桿與腹桿節(jié)點(diǎn)圖六橫置H型鋼弦腹桿與型鋼柱連接節(jié)點(diǎn)鋼桁架使用橫置H型鋼，使得整個(gè)桁架連接連點(diǎn)十分簡(jiǎn)單，桁架與型鋼混凝土柱的連接也同樣采用此類方法（見(jiàn)圖六）。取柱內(nèi)H型鋼腹板高度與桁架腹板高度一

8、致，則翼緣與桁架桿件翼緣在同一面內(nèi)，可保持厚度相同并整體切割，保持翼緣間傳力的連續(xù)性。由于此翼緣板尺寸較大，使型鋼混凝土柱箍筋在核心區(qū)不能兜通?？稍谝砭壣显O(shè)置連接套筒或預(yù)留短鋼筋予以解決。3.3 整體參數(shù)的控制該建筑平面呈三角形布置，平面形狀不規(guī)則；止匕外，在建筑中部設(shè)置較多的轉(zhuǎn)換桁架，使得平面中部剛度較大，對(duì)結(jié)構(gòu)抗扭不利。為此，除了在各單體核心筒處設(shè)置剪力墻，還需在建筑外圍選擇不影響建筑效果處設(shè)置剪力墻以提高結(jié)構(gòu)的抗扭效果3。東西端側(cè)向剛度差異很大，應(yīng)在西端設(shè)置Y向剪力墻,以提高此處的Y向側(cè)向剛度。經(jīng)調(diào)試，圖七中剪力墻布置能滿足位移比和周期比限值要求。圖七底層豎向構(gòu)件布置圖由于轉(zhuǎn)換桁架剛度較

9、大，導(dǎo)致桁架層剛度及受剪承載力突變。通過(guò)調(diào)整桁架層以下樓層剪力墻和框架柱截面，可減緩剛度及承載力突變。圖八給出X向樓層側(cè)向剛度比和樓層受剪承載力比（因MIDAS過(guò)高估算支撐的抗剪承載力，本項(xiàng)目連接體上下層抗剪承載力比大于10,明顯不符實(shí)際情況，故以YJK與SATWE比較）。從圖中可以看出：在桁架層位置存在較大的剛度和抗剪承載力突變，但是仍滿足側(cè)向剛度不小于上一層70%,上三層平均值80%,樓層承載力不小于相鄰上層65%的規(guī)范要求。圖八樓層側(cè)向剛度比值和樓層受剪承載力比值3.4 小震彈性時(shí)程分析該建筑體型復(fù)雜，為特別不規(guī)則建筑，應(yīng)進(jìn)行小震彈性時(shí)程分析1。采用2條天然波和1條人工波進(jìn)行小震彈性時(shí)程

10、分析，并與規(guī)范反應(yīng)譜分析結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果見(jiàn)表1。表中可見(jiàn)：每條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)基底剪力不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%,多條時(shí)程曲線計(jì)算的結(jié)構(gòu)基底剪力的平均值不小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%。從而說(shuō)明時(shí)程波的選取是合適的，滿足規(guī)范要求。圖九列出了時(shí)程分析與反應(yīng)譜對(duì)應(yīng)的X向各樓層剪力、樓層彎矩。對(duì)比樓層剪力圖可以看出：頂部8層左右時(shí)程分析的包絡(luò)值略大于規(guī)范反應(yīng)譜法的結(jié)果。結(jié)構(gòu)采取包絡(luò)設(shè)計(jì)，對(duì)反應(yīng)譜的地震力采取放大處理，放大系數(shù)取各個(gè)樓層的地震剪力增大值。表1時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析基底剪力比較地震波0x900(y基底剪力(kN)時(shí)程基底男力/反應(yīng)諾基底剪力基底剪力(kN)時(shí)程基底

11、男力/反應(yīng)諾基底剪力反應(yīng)譜13638.610489.1天然波1TH3TG04512771.70.948475.20.81天然波2TH4TG04511791.90.867869.10.75人工波1RH2TG04511057.20.819535.60.91時(shí)程分析平均值11873.60.878626.70.82是否滿足滿足滿足圖九時(shí)程分析與反應(yīng)譜分析樓層剪力比較3.5結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施該建筑存在平面不規(guī)則，多處轉(zhuǎn)換，大開(kāi)洞等多種設(shè)計(jì)難點(diǎn)并存情況，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上部荷載較大，屬于多重復(fù)雜超限建筑，并于2015年7月通過(guò)浙江省建筑工程抗震技術(shù)委員會(huì)的抗震設(shè)防專項(xiàng)審查4。除了轉(zhuǎn)換桁架應(yīng)按要求進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，還應(yīng)從其

12、它方面予以加強(qiáng)，下面總結(jié)本工程采用的各類加強(qiáng)措施：1、轉(zhuǎn)換桁架、轉(zhuǎn)換柱和剪力墻底部加強(qiáng)部位抗震等級(jí)提高至二級(jí)，其余剪力墻、框架梁和框架柱為三級(jí)（設(shè)計(jì)時(shí)杭州地區(qū)設(shè)防烈度仍為6度）。并按中震彈性，大震不屈服要求設(shè)計(jì)。普通框架柱按中震不屈服要求設(shè)計(jì)。2、轉(zhuǎn)換柱箍筋采用井字復(fù)合箍，并沿柱全高加密，箍筋直徑不小于10mm,箍筋間距不大于100mm,配箍特征值比普通框架柱要求的數(shù)值增加0.02且箍筋體積配箍率不小于1.5%。軸壓比限值和縱向受力鋼筋最小配筋率按部分框支剪力墻結(jié)構(gòu)中框支柱要求取值。3、剪力墻底部加強(qiáng)部位取嵌固端至第一處轉(zhuǎn)換桁架頂面以上兩層，其余連接體所在樓層及上下層剪力墻設(shè)置約束邊緣構(gòu)件。4

13、、連接體樓板板厚為150mm,采用雙層雙向鋼筋網(wǎng)，每層每方向鋼筋網(wǎng)的配筋率不小于0.25%,連接體樓板設(shè)置水平支撐，按高規(guī)第10.2.24條進(jìn)行受剪截面和承載力驗(yàn)算。對(duì)轉(zhuǎn)換層樓板和大開(kāi)洞處樓板進(jìn)行樓板應(yīng)力詳細(xì)分析，根據(jù)樓板詳細(xì)分析結(jié)果對(duì)相應(yīng)薄弱部位和大應(yīng)力區(qū)采取加強(qiáng)措施。5、對(duì)于個(gè)別抬柱轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換梁和穿層柱采取性能設(shè)計(jì)，滿足中震彈性要求，箍筋全長(zhǎng)加密。6、連接體桁架上下弦桿內(nèi)伸一跨，內(nèi)跨框架柱設(shè)置型鋼，確保轉(zhuǎn)換桁架與主體結(jié)構(gòu)可靠連接。7、采用多個(gè)結(jié)構(gòu)軟件（PKPM-SATWE、MIDAS、YJK等）對(duì)計(jì)算結(jié)果，特別是桁架的內(nèi)力進(jìn)行分析比對(duì)。5結(jié)語(yǔ)本文通過(guò)對(duì)杭州市武林廣場(chǎng)東側(cè)一幢帶多連體的復(fù)雜高

14、層進(jìn)行詳細(xì)研究和分析，得到如下結(jié)論：a）根據(jù)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)跨度及其上負(fù)荷大小，可選擇不同桁架形式。作為關(guān)鍵構(gòu)件，對(duì)于其內(nèi)力，必須采取兩種以上軟件進(jìn)行復(fù)核，以避免單個(gè)軟件缺陷引起結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題。復(fù)核內(nèi)力時(shí)應(yīng)對(duì)桁架層樓板進(jìn)行彈性樓板設(shè)置。b）橫置H型鋼可以在保持腹板高度不變的情況下，根據(jù)內(nèi)力大小調(diào)整翼緣寬度和厚度；可避免鋼板板材層狀撕裂；桁架節(jié)點(diǎn)可工廠預(yù)制；現(xiàn)場(chǎng)采取節(jié)點(diǎn)外全焊接的形式，既提高了桁架極限承載力，又大大減少施工難度。c）由于平面不規(guī)則，轉(zhuǎn)換桁架位于建筑平面中部，且剛度較大，引起結(jié)構(gòu)抗扭性能變差，豎向側(cè)向剛度突變。應(yīng)與建筑專業(yè)協(xié)商，在建筑外圍選取有利位置設(shè)置帶邊框剪力墻，提高結(jié)構(gòu)抗扭性能。止匕外，還應(yīng)調(diào)整桁架層以下樓層的豎向構(gòu)件尺寸，以減緩側(cè)向剛度和樓層抗剪承載力的突變。