某大跨度二次转换连体结构设计难点及对策

熊继业，王海霖，吴健雄

（中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南长沙 410007）

1 工程概况

本工程位于湖南省长沙市，为某公寓式办公楼，地下2 层，地上11 层，其中底部4 层为商业，四层为魔奇公寓空间，五层及以上为公寓，底部商业层层高为5.6m 或5.4m，公寓标准层层高2.8m，主体结构高度45.2m，建筑效果图见图1。

图1 建筑效果

本工程采用框架—剪力墙双重抗侧力体系，剪力墙主要利用中部交通核布置，以满足建筑使用功能要求。本工程与周边商业综合体单体建筑通过设置抗震缝，形成独立的结构抗震单元。由于建筑方案理念和效果限制，结构中间横向3 榀框架柱无法落地，且该区域3、4 层楼面为满足建筑功能要求，需要形成无柱大空间。无法落地的内框柱在5—11 层楼面设横向转换桁架进行转换，转换桁架跨度20m，桁架高度16.8m（跨越6 层）。无法落地的外框柱在3—5 层楼面南北两侧各设置1 榀纵向转换桁架进行转换，转换桁架跨度28.8m，桁架高度11.0m（跨越2 层）。结构计算简图及转换桁架立面见图2～图3。

图2 结构整体计算模型

图3 转换桁架立面

2 结构设计难点

本工程在分析与设计过程中主要有以下五个难点问题需要解决：

（1）本工程横向转换桁架需承担上部8 层楼（屋）面荷载，且跨度达20m，属于重型大跨度转换桁架。标准层2.8m 的层高对转换构件截面尺寸有严格的限制，以满足走道净高和斜腹杆尽可能少凸出隔墙的要求。

（2）受建筑功能限制，建筑中部设置横向转换桁架区域3、4层楼面为满足建筑功能要求，需要形成无柱大空间，3 榀横向转换桁架无法落地，故需在南北两侧各设置1 榀纵向转换桁架进行二次转换。纵向转换桁架承担了被转换区域所有的荷载，且转换桁架跨度达28.8m，纵向转换桁架的承载力、刚度及平面外稳定性对结构安全起着至关重要的作用。

（3）结构在5 层层高由5.6m 突变为2.8m，且由于设置的横向转换桁架，导致楼层抗侧刚度及抗剪承载力突变，难以满足有关规范对结构竖向规则性的要求[1]。

（4）转换层楼板是重要的传力构件，不落地框架柱的剪力需通过转换层楼板传递到落地框架柱。此外，在桁架整体弯曲变形作用下，与转换桁架上弦相连的楼板承受很大的压力，因此应特别关注楼板的承载力、稳定性、楼板与桁架的协同工作。

（5）结构存在扭转不规则及偏心布置、凹凸不规则、楼板不连续、刚度突变、构件间断、承载力突变等共计六项不规则项，应针对性采取可靠的抗震加强措施，保证结构的安全性。

3 结构设计对策

针对本工程特点和难点，设计过程中主要采取如下对策，以保证结构的安全性：

（1）为减轻转换结构的自重及其承担的竖向荷载，增加结构的延性和变形能力，转换结构及上部区域结构均采用钢结构。纵向转换桁架端部转换柱采用截面尺寸为1m×1m 方钢管钢管混凝土柱，方钢管壁厚为40mm；与方钢管混凝土转换柱相邻一跨框架采用型钢混凝土梁、型钢混凝土柱，以平衡转换桁架端部节点弯矩。

（2）为保证转换桁架的刚度和转换构件截面尺寸满足建筑功能要求，在转换桁架选型时尽可能增加桁架高度，桁架斜腹杆采用交叉斜杆方式布置。横向转换桁架高度16.8m，跨高比仅为20/16.8=1.2；纵向转换桁架高度11m，跨高比仅为28.8/11=2.6。无法落地的外框柱在3—5 层楼面南北两侧各设置1 榀纵向转换桁架进行转换，转换桁架跨度28.8m，桁架高度11.0m（跨越2层）。横向转换桁架弦杆和斜腹杆截面尺寸为H500×250×20×30，直腹杆截面尺寸为□600×600×30×30；纵向转换桁架弦杆截面尺寸为□1000×600×30×40，斜腹杆和直腹杆截面尺寸为□600×600×30×□600×600×30×30。

（3）为解决层高突变和设置转换桁架导致的楼层抗侧刚度及抗剪承载力突变，在结构底部四层局部加设剪力墙和钢支撑进行过渡，以调整楼层刚度及抗剪承载力变化趋势，结构软弱层和薄弱处不位于同一楼层，满足规范对结构竖向规则性的要求。

（4）纵向转换桁架上、下弦所在区域及其相邻区域楼板采用150mm 厚钢筋桁架楼承板，横向转换桁架所在区域板厚取120mm，均双层双向配筋且配筋率不小于0.25%，楼板通过抗剪栓钉与钢梁或桁架弦杆连接，以保证楼板的稳定性和结构的整体性。

（5）纵向转换桁架上、下弦所在楼面设满樘钢结构水平支撑（见图4），水平支撑承担全部水平力，作为加强楼层水平刚度的补充，以保证桁架的平面外稳定性，减小平面外变形。

图4 楼板水平支撑布置

（6）为消除楼板刚度退化后对结构尤其是转换桁架杆件内力和承载力的影响，在转换桁架杆件内力计算和承载力校核时，不考虑转换桁架区域楼板单元的作用[2]；转换桁架杆件的内力计算采用两个结构软件计算结果的包络值，确保计算结果的可靠性。

（7）在构件设计层面，采取的主要抗震加强措施如钢结构部分和混凝土框架抗震等级由四级提高至三级，转换柱抗震等级进一步提高至二级；6 层楼面以下剪力墙抗震等级由三级提高至二级，且全部设约束边缘构件；转换桁架按中震弹性、大震不屈服设计等。

4 转换桁架主要计算结果

以纵向转换桁架为例，采用YJK 和ETABS 两种软件进行内力和位移对比分析。由于横向转换桁架跨高比仅为1.2，桁架承载力和刚度均有很大富裕，其计算计算结果不再赘述。

4.1 转换桁架内力分析

在工况1:1.0 恒+1.0 活荷载、工况2:X 向多遇地震分别作用下，采用YJK 和ETABS 两种软件计算转换桁架主要杆件轴力和弯矩；两种工况下转换桁架内力计算结果表明，除极个别杆件外，两种软件内力相差在10%以内，可以认为两者内力计算结果基本一致，且桁架杆件内力以轴力为主，弯矩为辅。

4.2 转换桁架变形分析

根据《钢结构设计标准（GB 50017—2017）》附录B 的要求：在永久和可变荷载标准值作用下，钢桁架跨中挠度不应大于桁架跨度的1/400[3]。在工况:1.0 恒+1.0 活荷载作用下，采用YJK 和ETABS 两种软件计算转换桁架的竖向变形。计算结果表明，YJK软件计算的转换桁架跨中挠度为20.61mm，挠跨比为1/1397＜1/400；ETABS 软件计算的转换桁架跨中挠度为20.40mm，挠跨比为1/1411＜1/400。两种软件计算的转换桁架跨中挠度基本一致，且均远小于规范限值要求，说明转换桁架具有足够的刚度。

4.3 转换桁架屈曲分析

为保证转换桁架整体安全，对结构进行线性屈曲分析。在进行屈曲分析时，考虑楼板与钢梁之间存在滑移的可能及受拉区楼板开裂，楼板刚度折减系数取0.5。结构前4 阶屈曲模态，计算结果表明转换桁架第1、2 屈曲模态为纵向转换桁架腹杆向内外的整体屈曲，转换桁架第3、4 屈曲模态为纵向转换桁架平面外双波整体屈曲。第1 阶屈曲因子为51.58，即结构至少在承受51.58 倍的结构荷载（1.0 恒载+0.5 活荷载）作用下，才会发生屈曲失稳，转换桁架满足整体稳定性屈曲系数大于10 的要求，远超过桁架的极限承载力。由此可以判定，转换桁架稳定性有较高的安全储备，不会先于强度破坏发生整体和局部的屈曲失稳破坏。计算的前12 个屈曲模态中均未出现横向转换桁架的屈曲，表明横向转换桁架具有更高的稳定。

4.4 转换桁架抗震性能分析

为保证转换桁架承载力有较大富裕，转换构件截面设计按照竖向荷载与小震或风荷载的荷载组合下杆件应力比不大于0.8的原则确定。根据既定的抗震性能目标，尚需要进行中震、大遇地震作用下的结构验算[5]。

本工程中震抗震性能验算采用等效弹性计算法。YJK 软件中震等效弹性计算结果表明：在中震弹性设计下，纵向转换桁架和横向转换桁架未发生超应力比现象，转换桁架能满足中震弹性的性能目标，且主要杆件应力比不大于0.8，转换桁架承载力尚有较大富裕。

本工程大震抗震性能验算采用弹塑性时程分析法。PKPMSAUSAGE 软件大震弹塑性时程分析计算结果表明：在大震作用下，转换构件均处于无损坏状态，个别与转换柱相连框架梁出现轻微损坏，满足转换桁架大震不屈服设计性能目标要求。

5 结语

本工程结构形式较为复杂，为满足建筑底部无柱大空间功能要求，设置了横向转换桁架与纵向转换桁架进行二次转换，且存在多达六项不规则项。本文着重介绍了本工程设计的难点及采取的对策，通过全面的计算和分析，在保证整体结构满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防要求的基础上，还提高了关键构件转换桁架的抗震性能目标，使转换桁架承载力有较大富裕。通过上文的分析可以发现，本文所采用的方法行之有效。本文所采用的设计方法和加强措施，可为类似转换结构的设计提供借鉴和参考。在今后的研究中还将继续深入研究。