某高层建筑中转换层的结构设计与施工

徐政辉

(龙口市住房和规划建设管理局，山东龙口 265701)

1 工程概况

该工程抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度0.20g，设计地震分组第一组，场地类别为Ⅲ类，为一地下2层、地上18层的办公楼，总高64.8m，总建筑面积约为3万m2。结构体系为钢筋混凝土框架—剪力墙结构，安全等级为二级，设计使用年限为50年。该楼主体结构已于近期封顶。结构平面布置见图1。沿A—A方向的结构剖面见图2。

由图2可以看出，由于建筑功能的要求，Ⓑ轴上两个核心筒之间的两根柱在8层被断掉，Ⓒ轴上两个核心筒之间的两根柱在7，8，9层被断掉，为承托上部第10层～第18层柱子和悬挂下部第7层的柱子，分别在8层和9层布置了一榀转换桁架，分别称为桁架A和桁架B，桁架形式见图3。

桁架A和桁架B分别承托上部11层和10层荷载，另外桁架A下面还悬挂两个框架柱吊住第7层梁板。桁架A和桁架B跨度均为15.6m，桁架高度取为3.6m(转换层层高为3.6m)，桁架两端分别坐落在两侧的同方向筒体墙上，钢桁架与墙体内的内置钢骨相连接。型钢柱在墙端柱中共埋置3层(转换层向上向下各延伸一层)，由于支撑桁架A的两端墙体被电梯门洞打断，钢骨柱采用了如图4所示的截面形式，并对电梯门洞处连梁进行了构造加强。

2 结构计算分析与转换形式的选择

2.1 转换方案的分析

初选转换结构方案时，考虑了以下几种方案:

采用混凝土墙(或转换大梁)，会形成转换层和其下层刚度突变，不满足规范要求，过大的刚度导致墙(或转换大梁及其支座)分担过多的地震力，而且墙在大震下进入弹塑性和塑性阶段的应力分布不规律且延性较差。

桁架转换尤其是钢桁架则能够很好的解决层刚度分布的问题。

桁架转换与墙式(或梁式)转换相比，具有可使用建筑空间大，受力状态更明确，抗震性能好，自重小的特点。但钢筋混凝土桁架节点的受力状态和配筋构造复杂，容易发生剪切脆性破坏，尤其是当桁架转换层的高度较小时斜压腹杆形成超短柱，在地震作用时容易产生脆性坡坏，限制了钢筋混凝土桁架转换的应用。而钢桁架则可以克服以上缺点，具有较好的抗震性能。

综上所述，由于钢桁架具有较高的承载力和较为合理的抗侧刚度，采用钢桁架不会形成转换层和其下层刚度突变，能够满足规范要求(本工程转换层抗侧刚度与相邻下层抗侧刚度之比为1.21，满足规范不大于1.43的要求);而且钢桁架具有较好的延性，钢桁架在工厂加工，质量容易得到保证。

本工程采用建筑结构空间有限元分析程序ETABS和SATWE两种程序对结构进行计算，并对比分析。为得到钢桁架的内力，计算中采用既能考虑面内刚度又能考虑面外刚度的壳单元，对与钢桁架相连的楼板进行模拟，计算钢桁架受力时考虑了水平双向地震作用和竖向地震作用，并考虑了施工过程对钢桁架和其上框架的影响。计算地震作用时除采用振型分解反应谱法，还对整体结构进行了弹性动力时程分析。设计中，除考虑施工加载模拟外，对转换桁架还按照其实际的受荷面积进行复核。SATWE(括号内为ETABS计算结果)结构整体计算结果见表1。

表1 SATWE(括号内为ETABS计算结果)结构整体计算结果

X方向最大值层间位移角为1/1089，Y方向最大值层间位移角为1/1183。

转换桁架在竖向荷载和水平地震作用下的内力见图5，图6(由于桁架沿中线对称，只给出了半榀桁架内力)。

2.2 转换桁架的杆件截面的确定

桁架高度确定后，存在一个合理选取桁架杆件截面，即合理选取转换层刚度和承载力的问题。当转换层刚度和承载力过大时，一方面引起地震反应和结构竖向刚度的突然增大，使转换层上下层处于更加不利的受力状态，而且不能满足高规4.4.3条对上下层受剪承载力的要求。当转换层刚度过小时，上部支撑部分的竖向构件与其他竖向构件之间(本工程两侧为沉降较小的墙体)可能出现较大的沉降差，从而产生明显的次应力，导致其内力和配筋增加，不能形成有效的转换。综合考虑以上两个因素，通过计算与对比分析确定了钢桁架杆件截面，既使得上部框支部分的梁和柱不产生较大的次应力和过大的配筋率，又使得通过适当加强转换层下部墙体水平筋后能够满足规范中上下层受剪承载力的比例限值要求。

为满足钢桁架上翼缘与其上支撑柱的连接构造问题，上弦杆的翼缘宽度取为300mm(柱宽为600mm)，柱纵筋可以绕过翼缘进行弯折锚固到框架梁中，避免了柱与上翼缘的纵筋连接问题，同时保证了节点区混凝土的浇筑质量。

综合考虑以上因素，确定最终转换桁架主要杆件截面为:

上弦杆为 H600×300×20×30，下弦杆为 H700×300×20×30，端部斜腹杆为H600×300×20×30，中间斜腹杆和直腹杆为H400×300×16×20，均为Q345C焊接工字钢截面。

2.3 关于带转换桁架的层受剪承载力的计算

从理论上讲，普通层的受剪承载力等于混凝土柱根据实际配筋量计算出来的受剪承载力之和，转换层的受剪承载力等于混凝土柱根据实际配筋量计算出来的受剪承载力之和再加上钢桁架腹杆受剪承载力。但实际上钢桁架两侧固定在混凝土剪力墙上，而混凝土破坏的允许变形较小，钢桁架达到受剪承载力需要很大的变形(经计算约为墙体开裂变形的3倍以上)，加之钢桁架本身具有较高的承载力安全富余度，所以在钢桁架未达到极限承载力之前，桁架两端的混凝土会出现局部开裂从而引起结构的内力重分布，钢桁架无法在本层混凝土墙柱达到受剪强度的同时发挥其极限受剪承载力(钢桁架本身不破坏，这也正是设计意图)，因此笔者认为程序SATWE给出的带钢桁架转换层抗剪承载力之比，并非我们实际需要控制的层间抗剪承载力之比，实际设计中固然应该对转换层下面一层或两层进行水平抗剪配筋的加强，但可以不必完全按照上述理论公式去满足高规4.4.3的规定，这样会造成不必要的浪费，尤其是当钢桁架采用Q345钢材和具有较高的承载力富余度时。

本工程对转换层下两层墙体进行了水平筋配筋加强，转换层相邻下一层和转换层受剪承载力之比为0.67，刚刚满足规范中不小于0.65的要求，但此时的水平筋配置已比较保守。

3 构造设计

3.1 抗震加强措施

针对高位转换采取了以下抗震加强措施:

1)转换桁架上一层、其所在层以及其下各层与转换桁架相连的墙体均按加强部位配筋。2)在转换桁架的上下弦杆上表面与混凝土楼板结合处设置栓钉。目的是为了保证转换桁架上下弦杆所在楼面水平力的可靠传递。3)对转换层上下楼板板厚适当加厚，并配置了双层双向钢筋，配筋率不小于0.3%。4)采用ETABS程序对转换层及其上下层楼板采用细分的壳单元进行模拟，根据应力分布情况进行配筋加强，并且在转换层楼板中局部设置暗梁以加强整体性和保证水平力的可靠传递。5)在转换层支座内设置如图4所示的截面形式的型钢，型钢伸入抗震墙300mm，墙体内水平筋与钢桁架的隔板或连接耳板相焊接。使桁架与支撑墙体有可靠连接，保证在水平力作用下，桁架端部仍能与混凝土结构保持整体连接，不产生脱离破坏。

3.2 混凝土梁板柱与钢桁架的连接构造措施

框架梁柱节点区施工困难是钢骨混凝土最大的问题，框架梁主筋穿越钢骨柱不方便，如处理不当，受力关键部位的节点区可能成为薄弱部位。本工程中与钢骨柱翼缘相交的混凝土框架梁与钢骨的连接采用了钢筋主筋与钢牛腿翼缘板相焊接的方式，与腹板相交的混凝土框架梁采用了纵筋穿过腹板或绕过翼缘的方式。

支撑在钢桁架上弦杆的梁柱节点采取了如图7所示的方式。

施工此部位时要保证上弦节点与上部柱的中心对齐，避免面外受力，充分发挥桁架的受力优势。

悬挂在下翼缘的框架柱与钢桁架下翼缘的连接采用了如图8所示的方式。

框架柱的纵筋锚入框架梁中或与下翼缘工字钢的隔板相焊接。

以上方式解决了型钢桁架与混凝土梁板柱的连接问题，经施工检验是可行的。

4 施工

4.1 支护与拆模问题

施工中最初考虑支撑钢桁架的脚手架待主体结构完全施工完毕后再拆除，这样不仅影响下部非主体结构的施工，而且会增加施工费用。实际施工中采取待支撑钢桁架的两侧墙体达到100%设计强度后即拆除脚手架，由钢桁架来完全承担上部结构的一期恒荷载，然后由钢桁架和上部框架共同承受二期恒载和活荷载，通过施工过程分析，钢桁架和上部框架能够满足受力和变形要求。

4.2 悬挂柱的设计与施工

为防止钢桁架的竖向位移对悬挂柱带来不利的次应力，在悬挂柱中部设置500mm宽的后浇块，待主体结构施工完毕后再浇筑后浇块，计算时通过对悬挂层梁柱形成的框架施加强迫位移的方式模拟二期恒载和活载引起的桁架变形对下部悬挂结构的影响。

4.3 施工监测

条件允许时可以在施工中进行钢桁架个别杆件的应变测试和桁架的跨中位移测试，可以通过与计算结果对比来验证计算模型的合理性，考察钢桁架和混凝土框架以及两侧剪力墙的整体协同工作情况，并为施工过程提供支模、拆模的力学依据。本工程在施工分析时考虑了测试方案，但因时间等原因未能实施。

5 结语

在高层建筑中的转换层、薄弱层等特殊部位的设计中，不仅要有统筹的概念设计考虑，还要有量化的分析，并结合行之有效的构造措施，才能最终保证结构的可靠性。

通过对本工程钢桁架转换层结构设计和施工的回顾，笔者认为此类工程需有以下问题值得关注:

1)采用合适的程序和有限元单元来模拟转换体系与梁板柱的连接及转换层楼板开洞部位，以得到准确的设计内力。2)选择合理的转换形式使得传力更明确，特别是保证大震下转换结构的可靠度。3)转换桁架截面的选择既要综合考虑结构层间刚度和承载力的比例，又要兼顾上部结构因桁架位移引起的次内力和增加的配筋量。4)要采取行之有效的构造加强措施保证钢桁架和主体混凝土结构的连接并提高转换层及其上下层的结构延性。

[1]修 龙，诸火生.北京中国银行总部大厦结构设计[J].建筑结构学报，2002(5):31-32.

[2]冯 远，杨 曦，何建波.成都高新科技商务广场C座钢结构设计[J].建筑结构，2004(3):19-20.

[3]傅学怡.带转换层高层建筑结构设计建议[J].建筑结构学报，1999(10):25-26.