1、1高位桁架转换层对整体结构的影响及设计要点摘 要：带高位桁架转换层由于结构多样化在满足人们对不同建筑功能的需求上应用极为广泛，其主要特征是结构形式在竖直方向上不规则、受力特性、构造和施工较为复杂，因此，对带高位桁架转换层的高层建筑结构的研究尤为重要。论文在简要介绍桁架转换层的主要形式的基础上分析了高位桁架转换层对整体结构的影响，包括对整体结构刚度及抗震性能的影响，提出了其在设计过程中的要点及建议，依此作为高位桁架转换层设计的基础。 关键词：高位桁架转换层；影响；设计要点 中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号： 随着人类生活水平的提高，对美的追求成为了一种时尚和潮流。面对鳞次栉比的建筑
2、亦是如此，对建筑结构的美观感受要求越来越高。随之兴起的是房屋结构层出不穷，由规则走向不规则，而带转换层的高层建筑结构逐渐备受设计大师们的青睐。比较常见的转换层结构如梁式、板式、桁架式，其中桁架式结构以其传力途径清晰、开洞设置管道方便、灵活性强等优势而著称，目前应用桁架式结构的工程比如北京香格里拉饭店、南京新世纪广场二期工程等。 1 桁架转换层的主要形式 桁式转换因其受力特点在轴力上和桁架相似，故称之为桁架转换结2构。在这种结构中常见的有空腹桁架和混合桁架，其中的区别在于混合桁架中除了像空腹桁架布置了竖腹杆，还同时布置了斜腹杆。同样，在实际工程中，单层和迭层转化也是桁架转换结构常有的形式。由于腹
3、杆方便调节的性质，桁架结构在布置时具有很强的灵活性。随着技术的不断进步以及经济的高速发展，型钢混凝土或钢逐渐替代了最初的钢筋混凝土作为桁架转换结构的材料。在实际工程中使用较为广泛的是托柱转换及跨度很大时的转换的情况。当然各种情况的形式因具体实际来定，总的来说主要有以下几种情况：预应力桁架转换结构。这种情况主要是当桁架转换结构的下弦拉力较大时应用。采用转换桁架对上部密柱进行转换时，桁架斜腹杆的交点在上部密柱正下方。有些工程中为了避免腹杆形成剪跨比太大的短柱，结构的特点是有可能使桁架所需的高度大于转换层层高时，这样的情况下转换构件最好选用迭层桁架转换。此外，梁式转换层的主要是适用于跨度较小，剪力墙
4、开孔较大或短肢墙时，对承托剪力墙的桁架转换结构，桁式转换的优越性往往不能凸显，所以总的来说都是因现场的实际情况来定，因而实际结构的设计中建筑结构的选型是一个综合考虑诸多综合因素的过程。 2 高位桁架转换层对整体结构的影响 2.1 高位桁架转换层对整体结构刚度影响 桁架转换结构和梁式结构相比具有以下几个方面的优势： 1）同一层次的桁架转换结构抗扭刚度较大。2）同一层数桁架转换结构的 P 效应相对较小。因为在桁架转换结构中设置有斜腹杆增强了结构的抗侧刚度的缘故，则在层间引起的位移相对较小。3）桁架转换结3构在刚度变化的过程中突变的程度相对梁式结构较小、相对比较缓和，可以在一定程度上起到缓冲的作用。
5、如图 1 所示。 图 1 层间位移角值突变幅度 2.2 高位桁架转换层对抗震性能影响程度 1）在桁架转换结构中，转换层起到了一个过渡层的作用，在一定程度上减小了刚度的变化以及层间的位移。从上面的分析以及实际的工程中，已经了解到桁架转换结构相对梁式转换结构具有层间位移较小、层间转换时刚度变化较缓的优势。这可以提高结构的抗震性能。2）对于层间位移，桁架转换层结构较梁式转换层较小，基于这一缘故，对转换层下部结构的侧移以及顶点的位移都起到了一定的控制作用，最后导致 P- 效应的降低，提高了结构的抗震性能。3）对于高位转换，桁架转换层更能减轻转换层上部结构受地震的影响。当转换层位于第 3 层时，梁式和桁
6、架转换层结构相比较，转换层上部的层间剪力大致一致。但对于第5、7 层作为转换层时，前者却比后者当约 15%。4）同样对于高位转换，桁架式转换结构底部的总剪力值始终比梁式结构的要小，故对于转换层下部的结构，桁架式结构所受的损伤更小，抗震性能更好。 3 桁架转换高层建筑结构的设计原则 高层建筑的日益复杂使得为了使得桁架转换高层建筑结构在实际工程的应用中展现出特有的优势，在设计中如何能够将工程的安全性做到完美就是设计的重点，其中最为重要的就是整体的延性。在遵循一般的4原则：“适当加强转换层下部结构，弱化转换层上部结构”以外；完美在结构设计中更应该注意“强节点，强斜腹杆”的设计要点。 1）首先，在整体
7、桁架转换层设计中我们应该满足等效侧向刚度的要求，上下的结构设计都应该做考虑，另外应该注意的是尽量不要再转换结构上出现塑性铰，因为这种情况极易在地震中出现破坏，这在结构设计中为结构的薄弱层，也是强条。当整个框架满足刚度的条件之后，应该考虑桁架转换结构具备良好的延性，能使材料的结构、构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力，这是结构设计中需要极为关注的一点。 2）柱(墙)的轴心压力设计值与柱(墙)的轴心抗压力设计值之比值)也是设计中的要点之一。它反映了柱(墙)的受压情况，我们知道，轴压比越大，柱的延性就越差，在地震作用下柱的破坏呈脆性。因此我们
8、在设计中应该严格控制桁架转换层下部柱的轴压比。在实际工程中，如果遇到那种轴压比的要求难以满足时，我们一般考虑的措施是将桁架转换层下部的柱变化，一般可采用钢骨（型钢）混凝土柱、高强混凝土柱，有些工程也有其他的做法，即增大柱的截面尺寸以提高其刚度及延性。 3）重视斜腹杆桁架转换层的设计。斜腹杆桁架转换层设计是桁架转换层设计中的重要部分，如何保证确保强节点及受压斜腹杆的强度是设计的重中之重。我们知道，受压斜腹杆设计关键要点是由轴压比来控制其杆件的截面尺寸，根绝现行行业的规范及实际工程经验，我们了解到其具体限值见表 2，以保证其延性的要求。当我们在设计工程中不能够满足这一条件时，可以采取的办法是在其杆
9、件中配置焊接箍筋或是螺旋箍5筋，有些工程采取的措施是采用内埋空腹钢桁架或型钢的钢骨混凝土，以此来满足相关强节点及受压斜腹杆的强度。另外，在进行校核时要考虑到斜腹杆桁架的上、下弦节点截面面积的大小能够满足抗剪强度的要求，以上措施都是来确保桁架转换结构具备一定程度的延性，而避免发生突发事件的脆性破坏。 表 1 桁架转换层下部柱的轴压比 注: Nmax，Fc 分别为桁架转换层下部柱的轴力最大组合设计值及混凝土抗压强度设计值； h0，b 分别为桁架转换层下部柱的截面有效高度及宽度。 表 2 转换桁架受压斜腹杆的轴压比限值 N 受压斜腹杆的轴压比限值： 其中， Nmax，f c 分别为受压斜腹杆的轴力最
10、大组合设计值及混凝土抗压强度设计值；A c 为受压斜腹杆截面的有效面积。 4）取消桁架的竖杆的做法值得推广。在实际工程中，有些在桁架转换层在设计时，取消桁架的竖杆，这样的效果对桁架的上、下弦杆及斜腹杆的受力及在整体结构的受力及安全等级上没有明显影响，除此之外，取消竖杆的设计做法使得桁架转换结构的质量及抗侧刚度的突变效应减6缓，这对提高整体结构的抗震性能都是极为有利的。在实际的施工中，取消竖杆的做法也使桁架结构形式更为简单，在整个现场结构的施工中变得更加方便，不仅节约了工程造价，而且提高了工程进度。有人在做了地震效应实验总结出：在地震作用下，桁架上、下弦杆受力主要由弯矩来控制，这种情况下所受弯矩
11、最大就是桁架结构体系中的两端上、下弦杆。这样在设计时要保证桁架上、下弦杆的抗弯刚度，尤其是要提高与剪力墙相邻的桁架上、下弦杆的抗弯刚度。如图 2 所示。 5）其他。在高位桁架转换层对整体结构的影响分析可以得知，地震作用对斜腹杆弯矩的影响相对于上、下弦杆的影响要大，而对斜腹杆轴力的影响中，除了只是在桁架中部，对斜腹杆的影响较明显以外，其他的情况都是影响稍弱，因此，在设计过程中应该重点注意到两端的斜腹杆所受轴力大，应该提高转换桁架中部及两端斜腹杆的抗压（拉）强度，最后也要注意尽量在结构的设计中提高其抗弯性能。如图 3 所示。桁架转换层的上弦杆件的剪力值较大，在桁架上、下弦杆件的截面设计时，起控制作
12、用的主要是竖向荷载，特别是要保证转换桁架的上弦杆件有足够的抗剪强度。 图 2 桁架转换层弯矩图 图 3 桁架转换层轴力图 4 结语 7总之，在对高位桁架转换层对整体结构的影响分析后，笔者认为：1）在地震作用下，整个桁架结构转换层的受力特征是，由于转换层位置较高带来的不利影响，下部楼层的层总剪力随转换层位置的增高有所增大，由转换层位置的提高所引起的最大层剪力增值一般仍出现在首层。可能原因是转换层本身的地震作用所占的比重不是很大。2）在进行高位桁架转换层设计时，如果遇到转换层设置位置较高的情况下，我们应该对转换层上部结构的一到两层范围内的竖向构件及水平连梁截面、配筋在设计时应予以适当加强，以此来保
13、证整体结构的稳定性。3）在地震作用下，剪力墙对桁架端部的上、下弦杆具有较强的约束作用导致的局部受力集中，这样也使得转换桁架与混凝土剪力墙连接的杆件所受弯矩相对较大，因此，在设计时要保证桁架上、下弦杆的抗弯刚度，提高其两端上、下弦杆的抗弯刚度，特别是与剪力墙相邻的桁架上、下弦杆的抗弯刚度。另外，桁架斜腹杆主要承受轴力表现在两端斜腹杆所受轴力最大。因此在设计过程中，应适当提高转换桁架中部及两端斜腹杆的抗压（拉）强度。 参考文献： 1夏昌.带转换层高层建筑结构基于性能的抗震设计J. 福州：福建建筑，2008，1：5-10. 2李亭战，刘宇钟，陈林.梁式与桁架式高位转换层对整体结构的影响J.河北：价值工程，2011，4. 3徐培福.复杂高层建筑结构设计M.北京：中国建筑工业出版社，2005. 8
