熊繼業(yè)，王海霖，吳健雄

（中機國際工程設(shè)計研究院有限責任公司，湖南長沙 410007）

1 工程概況

本工程位于湖南省長沙市，為某公寓式辦公樓，地下2 層，地上11 層，其中底部4 層為商業(yè)，四層為魔奇公寓空間，五層及以上為公寓，底部商業(yè)層層高為5.6m 或5.4m，公寓標準層層高2.8m，主體結(jié)構(gòu)高度45.2m，建筑效果圖見圖1。

圖1 建筑效果

本工程采用框架—剪力墻雙重抗側(cè)力體系，剪力墻主要利用中部交通核布置，以滿足建筑使用功能要求。本工程與周邊商業(yè)綜合體單體建筑通過設(shè)置抗震縫，形成獨立的結(jié)構(gòu)抗震單元。由于建筑方案理念和效果限制，結(jié)構(gòu)中間橫向3 榀框架柱無法落地，且該區(qū)域3、4 層樓面為滿足建筑功能要求，需要形成無柱大空間。無法落地的內(nèi)框柱在5—11 層樓面設(shè)橫向轉(zhuǎn)換桁架進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換桁架跨度20m，桁架高度16.8m（跨越6 層）。無法落地的外框柱在3—5 層樓面南北兩側(cè)各設(shè)置1 榀縱向轉(zhuǎn)換桁架進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換桁架跨度28.8m，桁架高度11.0m（跨越2 層）。結(jié)構(gòu)計算簡圖及轉(zhuǎn)換桁架立面見圖2～圖3。

圖2 結(jié)構(gòu)整體計算模型

圖3 轉(zhuǎn)換桁架立面

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計難點

本工程在分析與設(shè)計過程中主要有以下五個難點問題需要解決：

（1）本工程橫向轉(zhuǎn)換桁架需承擔上部8 層樓（屋）面荷載，且跨度達20m，屬于重型大跨度轉(zhuǎn)換桁架。標準層2.8m 的層高對轉(zhuǎn)換構(gòu)件截面尺寸有嚴格的限制，以滿足走道凈高和斜腹桿盡可能少凸出隔墻的要求。

（2）受建筑功能限制，建筑中部設(shè)置橫向轉(zhuǎn)換桁架區(qū)域3、4層樓面為滿足建筑功能要求，需要形成無柱大空間，3 榀橫向轉(zhuǎn)換桁架無法落地，故需在南北兩側(cè)各設(shè)置1 榀縱向轉(zhuǎn)換桁架進行二次轉(zhuǎn)換。縱向轉(zhuǎn)換桁架承擔了被轉(zhuǎn)換區(qū)域所有的荷載，且轉(zhuǎn)換桁架跨度達28.8m，縱向轉(zhuǎn)換桁架的承載力、剛度及平面外穩(wěn)定性對結(jié)構(gòu)安全起著至關(guān)重要的作用。

（3）結(jié)構(gòu)在5 層層高由5.6m 突變?yōu)?.8m，且由于設(shè)置的橫向轉(zhuǎn)換桁架，導致樓層抗側(cè)剛度及抗剪承載力突變，難以滿足有關(guān)規(guī)范對結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性的要求[1]。

（4）轉(zhuǎn)換層樓板是重要的傳力構(gòu)件，不落地框架柱的剪力需通過轉(zhuǎn)換層樓板傳遞到落地框架柱。此外，在桁架整體彎曲變形作用下，與轉(zhuǎn)換桁架上弦相連的樓板承受很大的壓力，因此應(yīng)特別關(guān)注樓板的承載力、穩(wěn)定性、樓板與桁架的協(xié)同工作。

（5）結(jié)構(gòu)存在扭轉(zhuǎn)不規(guī)則及偏心布置、凹凸不規(guī)則、樓板不連續(xù)、剛度突變、構(gòu)件間斷、承載力突變等共計六項不規(guī)則項，應(yīng)針對性采取可靠的抗震加強措施，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計對策

針對本工程特點和難點，設(shè)計過程中主要采取如下對策，以保證結(jié)構(gòu)的安全性：

（1）為減輕轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的自重及其承擔的豎向荷載，增加結(jié)構(gòu)的延性和變形能力，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)及上部區(qū)域結(jié)構(gòu)均采用鋼結(jié)構(gòu)?？v向轉(zhuǎn)換桁架端部轉(zhuǎn)換柱采用截面尺寸為1m×1m 方鋼管鋼管混凝土柱，方鋼管壁厚為40mm；與方鋼管混凝土轉(zhuǎn)換柱相鄰一跨框架采用型鋼混凝土梁、型鋼混凝土柱，以平衡轉(zhuǎn)換桁架端部節(jié)點彎矩。

（2）為保證轉(zhuǎn)換桁架的剛度和轉(zhuǎn)換構(gòu)件截面尺寸滿足建筑功能要求，在轉(zhuǎn)換桁架選型時盡可能增加桁架高度，桁架斜腹桿采用交叉斜桿方式布置。橫向轉(zhuǎn)換桁架高度16.8m，跨高比僅為20/16.8=1.2；縱向轉(zhuǎn)換桁架高度11m，跨高比僅為28.8/11=2.6。無法落地的外框柱在3—5 層樓面南北兩側(cè)各設(shè)置1 榀縱向轉(zhuǎn)換桁架進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換桁架跨度28.8m，桁架高度11.0m（跨越2層）。橫向轉(zhuǎn)換桁架弦桿和斜腹桿截面尺寸為H500×250×20×30，直腹桿截面尺寸為□600×600×30×30；縱向轉(zhuǎn)換桁架弦桿截面尺寸為□1000×600×30×40，斜腹桿和直腹桿截面尺寸為□600×600×30×□600×600×30×30。

（3）為解決層高突變和設(shè)置轉(zhuǎn)換桁架導致的樓層抗側(cè)剛度及抗剪承載力突變，在結(jié)構(gòu)底部四層局部加設(shè)剪力墻和鋼支撐進行過渡，以調(diào)整樓層剛度及抗剪承載力變化趨勢，結(jié)構(gòu)軟弱層和薄弱處不位于同一樓層，滿足規(guī)范對結(jié)構(gòu)豎向規(guī)則性的要求。

（4）縱向轉(zhuǎn)換桁架上、下弦所在區(qū)域及其相鄰區(qū)域樓板采用150mm 厚鋼筋桁架樓承板，橫向轉(zhuǎn)換桁架所在區(qū)域板厚取120mm，均雙層雙向配筋且配筋率不小于0.25%，樓板通過抗剪栓釘與鋼梁或桁架弦桿連接，以保證樓板的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的整體性。

（5）縱向轉(zhuǎn)換桁架上、下弦所在樓面設(shè)滿樘鋼結(jié)構(gòu)水平支撐（見圖4），水平支撐承擔全部水平力，作為加強樓層水平剛度的補充，以保證桁架的平面外穩(wěn)定性，減小平面外變形。

圖4 樓板水平支撐布置

（6）為消除樓板剛度退化后對結(jié)構(gòu)尤其是轉(zhuǎn)換桁架桿件內(nèi)力和承載力的影響，在轉(zhuǎn)換桁架桿件內(nèi)力計算和承載力校核時，不考慮轉(zhuǎn)換桁架區(qū)域樓板單元的作用[2]；轉(zhuǎn)換桁架桿件的內(nèi)力計算采用兩個結(jié)構(gòu)軟件計算結(jié)果的包絡(luò)值，確保計算結(jié)果的可靠性。

（7）在構(gòu)件設(shè)計層面，采取的主要抗震加強措施如鋼結(jié)構(gòu)部分和混凝土框架抗震等級由四級提高至三級，轉(zhuǎn)換柱抗震等級進一步提高至二級；6 層樓面以下剪力墻抗震等級由三級提高至二級，且全部設(shè)約束邊緣構(gòu)件；轉(zhuǎn)換桁架按中震彈性、大震不屈服設(shè)計等。

4 轉(zhuǎn)換桁架主要計算結(jié)果

以縱向轉(zhuǎn)換桁架為例，采用YJK 和ETABS 兩種軟件進行內(nèi)力和位移對比分析。由于橫向轉(zhuǎn)換桁架跨高比僅為1.2，桁架承載力和剛度均有很大富裕，其計算計算結(jié)果不再贅述。

4.1 轉(zhuǎn)換桁架內(nèi)力分析

在工況1:1.0 恒+1.0 活荷載、工況2:X 向多遇地震分別作用下，采用YJK 和ETABS 兩種軟件計算轉(zhuǎn)換桁架主要桿件軸力和彎矩；兩種工況下轉(zhuǎn)換桁架內(nèi)力計算結(jié)果表明，除極個別桿件外，兩種軟件內(nèi)力相差在10%以內(nèi)，可以認為兩者內(nèi)力計算結(jié)果基本一致，且桁架桿件內(nèi)力以軸力為主，彎矩為輔。

4.2 轉(zhuǎn)換桁架變形分析

根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準（GB 50017—2017）》附錄B 的要求：在永久和可變荷載標準值作用下，鋼桁架跨中撓度不應(yīng)大于桁架跨度的1/400[3]。在工況:1.0 恒+1.0 活荷載作用下，采用YJK 和ETABS 兩種軟件計算轉(zhuǎn)換桁架的豎向變形。計算結(jié)果表明，YJK軟件計算的轉(zhuǎn)換桁架跨中撓度為20.61mm，撓跨比為1/1397＜1/400；ETABS 軟件計算的轉(zhuǎn)換桁架跨中撓度為20.40mm，撓跨比為1/1411＜1/400。兩種軟件計算的轉(zhuǎn)換桁架跨中撓度基本一致，且均遠小于規(guī)范限值要求，說明轉(zhuǎn)換桁架具有足夠的剛度。

4.3 轉(zhuǎn)換桁架屈曲分析

為保證轉(zhuǎn)換桁架整體安全，對結(jié)構(gòu)進行線性屈曲分析。在進行屈曲分析時，考慮樓板與鋼梁之間存在滑移的可能及受拉區(qū)樓板開裂，樓板剛度折減系數(shù)取0.5。結(jié)構(gòu)前4 階屈曲模態(tài)，計算結(jié)果表明轉(zhuǎn)換桁架第1、2 屈曲模態(tài)為縱向轉(zhuǎn)換桁架腹桿向內(nèi)外的整體屈曲，轉(zhuǎn)換桁架第3、4 屈曲模態(tài)為縱向轉(zhuǎn)換桁架平面外雙波整體屈曲。第1 階屈曲因子為51.58，即結(jié)構(gòu)至少在承受51.58 倍的結(jié)構(gòu)荷載（1.0 恒載+0.5 活荷載）作用下，才會發(fā)生屈曲失穩(wěn)，轉(zhuǎn)換桁架滿足整體穩(wěn)定性屈曲系數(shù)大于10 的要求，遠超過桁架的極限承載力。由此可以判定，轉(zhuǎn)換桁架穩(wěn)定性有較高的安全儲備，不會先于強度破壞發(fā)生整體和局部的屈曲失穩(wěn)破壞。計算的前12 個屈曲模態(tài)中均未出現(xiàn)橫向轉(zhuǎn)換桁架的屈曲，表明橫向轉(zhuǎn)換桁架具有更高的穩(wěn)定。

4.4 轉(zhuǎn)換桁架抗震性能分析

為保證轉(zhuǎn)換桁架承載力有較大富裕，轉(zhuǎn)換構(gòu)件截面設(shè)計按照豎向荷載與小震或風荷載的荷載組合下桿件應(yīng)力比不大于0.8的原則確定。根據(jù)既定的抗震性能目標，尚需要進行中震、大遇地震作用下的結(jié)構(gòu)驗算[5]。

本工程中震抗震性能驗算采用等效彈性計算法。YJK 軟件中震等效彈性計算結(jié)果表明：在中震彈性設(shè)計下，縱向轉(zhuǎn)換桁架和橫向轉(zhuǎn)換桁架未發(fā)生超應(yīng)力比現(xiàn)象，轉(zhuǎn)換桁架能滿足中震彈性的性能目標，且主要桿件應(yīng)力比不大于0.8，轉(zhuǎn)換桁架承載力尚有較大富裕。

本工程大震抗震性能驗算采用彈塑性時程分析法。PKPMSAUSAGE 軟件大震彈塑性時程分析計算結(jié)果表明：在大震作用下，轉(zhuǎn)換構(gòu)件均處于無損壞狀態(tài)，個別與轉(zhuǎn)換柱相連框架梁出現(xiàn)輕微損壞，滿足轉(zhuǎn)換桁架大震不屈服設(shè)計性能目標要求。

5 結(jié)語

本工程結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，為滿足建筑底部無柱大空間功能要求，設(shè)置了橫向轉(zhuǎn)換桁架與縱向轉(zhuǎn)換桁架進行二次轉(zhuǎn)換，且存在多達六項不規(guī)則項。本文著重介紹了本工程設(shè)計的難點及采取的對策，通過全面的計算和分析，在保證整體結(jié)構(gòu)滿足“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)防要求的基礎(chǔ)上，還提高了關(guān)鍵構(gòu)件轉(zhuǎn)換桁架的抗震性能目標，使轉(zhuǎn)換桁架承載力有較大富裕。通過上文的分析可以發(fā)現(xiàn)，本文所采用的方法行之有效。本文所采用的設(shè)計方法和加強措施，可為類似轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供借鑒和參考。在今后的研究中還將繼續(xù)深入研究。