某各层弱相关悬挂结构转换桁架设计及关键节点分析*

向 虎, 程 畅, 邱 剑, 龙 浩, 温四清

(中信建筑设计研究总院有限公司，武汉 430014)

1 工程概况

图1 屋顶转换桁架及悬挂楼层局部三维模型

2 屋顶转换桁架方案比选

屋顶转换桁架下弦杆兼做屋面主框架梁,下弦杆顶标高70.630m,屋面板板厚120mm,板底与下弦杆顶面平齐,上弦杆顶标高78.650m。由文献[1]图7可知,挑空区相对于落地结构是偏置的,挑空区重量需要靠⑩～轴交轴、轴钢管混凝土柱和剪力墙承担。结合挑空区的位置分布和荷载分布(～轴交～轴屋面设置有较重的设备),且为了使屋顶转换桁架具有较好的整体性,初步考虑在⑩～轴、1/B轴、轴、轴、轴设置9榀桁架。因腹杆长度较长,H型钢绕弱轴的整体稳定性较差,故桁架腹杆均采用箱形截面。、轴桁架悬挑跨度最大(达到15.5m),受荷范围最大,是主要受力桁架,是方案比选的重点。

图2 、轴主桁架方案立面简图

采用YJK软件对4种桁架方案进行计算,方案比选模型不考虑桁架上下弦楼板作用,即将楼板板厚设置为0,楼板自重计入恒载施加到楼板上。以轴桁架为例,部分桁架杆件内力及截面尺寸见表1,标准组合下桁架下弦端部最大竖向位移结果见表2,杆件编号见图2。

表1 轴桁架的部分杆件比选信息

表1 轴桁架的部分杆件比选信息

方案杆1杆2杆2a杆3杆41轴力/kN-18 80019 793—3 8809 609弯矩/(kN·m)-19 3071 795—-2 232303截面/mm800×1 400×100×100800×800×60×60—800×800×40×60800×500×20×60应力比0.920.72—0.380.482轴力/kN-4 131-22 818—19 1699 442弯矩/(kN·m)-5 4261 175—2 358267截面/mm800×800×60×60800×800×60×60—800×800×60×60800×500×20×60应力比0.650.86—0.750.463轴力/kN-12 671-13 85011 05913 1145 616弯矩/(kN·m)-4 006900.4581-1 346297截面/mm800×800×60×60800×500×40×60800×500×40×60800×800×40×60800×500×20×60应力比0.820.690.540.550.324轴力/kN-12 386-13 77410 90313 0439 153弯矩/(kN·m)-4 018916584-1 359284截面/mm800×800×60×60800×500×40×60800×500×40×60800×800×40×60800×500×20×60应力比0.820.690.530.550.45

注:1)杆件内力工况为1.1×(1.3恒载+1.5活载);2)构件截面为箱形截面;3)轴力的正值为拉力、负值为压力。

表2 标准组合下轴桁架下弦端部最大竖向位移/mm

表2 标准组合下轴桁架下弦端部最大竖向位移/mm

方案方案1方案2方案3方案4位移-54.43-55.60-47.89-50.17

结合表1、2对各桁架方案进行对比。

(1)相较于方案4,方案1中下弦杆1轴压力约增加52%,弯矩约增大381%,导致下弦杆和斜腹杆截面过大,影响下部楼层净高,且单位长度杆件自重过大,吊装难度很大,施工困难。

(2)相较于方案4,方案2中上弦杆3轴拉力增大50%,弯矩增大74%,斜腹杆2的轴压力大66%,导致上弦杆和斜腹杆截面需要加大,施工困难。

(3)方案3和方案4中构件受力更均匀,构件截面相比方案1和方案2小,单根构件重量相对较小,便于吊装施工。桁架竖向位移更小,便于施工控制。

3 屋顶转换桁架设计

考虑到桁架上弦没有楼板,且挑空区相对于落地结构偏置,为保证屋顶桁架上弦平面的平面内整体性,减小上弦平面内的变形,在桁架上弦周边柱网及～轴间设置水平支撑,在Ⓒ～Ⓕ轴框架柱顶设置框架梁。屋顶转换桁架三维模型见文献[1]的图11。

3.1 多模型包络设计

屋顶转换桁架是本项目的主要受力构件,其安全性直接关系到悬挂结构的安全,故其受力状态需要特别重视。为保证屋顶转换桁架安全,计算时采用多种模型进行包络,包络模型及桁架构件最大应力比见表3。由表3可知:1)屋顶转换桁架具有足够的承载能力,能保证结构受力安全。2)不考虑楼板作用[2]时的桁架杆件应力比比考虑时增大约23%,可见是否考虑楼板的作用对桁架构件受力影响较大,未采取有效措施保证楼板与桁架杆件共同工作时,按不考虑楼板作用对桁架进行包络设计是非常必要的。

表3 屋面转换桁架包络模型及桁架构件最大应力比

表4 钢桁架主要受力杆件参数

3.2 抗连续倒塌分析

屋顶转换桁架稳定性和承载力对于悬挂结构至关重要,为了保证转换桁架具有足够的抗连续倒塌能力,采用《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[4](简称《高规》)中的拆除构件法,分别拆除、轴桁架在～轴的1根腹杆,对剩余结构采用线性静力分析方法进行抗连续倒塌设计[5],分析时偏于安全地未考虑效应折减系数和材料强度提高系数。4根腹杆XC1、XC2、XC3和XC4的位置见图3,图中箭头一端与腹杆杆端标高较高一端相对应。以轴桁架为例,拆除单根斜腹杆前后的轴桁架杆件应力比结果见图4。由图4可知,不考虑上下弦楼板作用时剩余桁架构件的最大应力比为0.88,考虑上下弦楼板作用时剩余桁架构件的最大应力比为0.66,承载力均满足《高规》要求。

图3 腹杆定位图

图4 拆除腹杆前后轴桁架构件应力比

3.3 新老规范关于活荷载折减系数规定的差异

屋顶转换桁架悬挂8个楼层,考虑到8层活荷载同时达到最大的可能性非常小,计算屋顶转换桁架时可参照柱进行活荷载折减。挑空区使用功能为办公,《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)(简称《荷载规范》)与《工程结构通用规范》(GB 55001—2021)(简称《通用规范》)中关于办公楼柱活荷载折减系数的规定存在较大差异,按照《荷载规范》,挑空区活荷载折减系数可取0.65,但《通用规范》已将办公楼移至第1(2)项,不仅楼面荷载值有所提高,柱设计时活荷载折减系数也增大到0.9。由于YJK只能自动识别竖向构件上部的楼层数量以确定折减系数,无法向下识别楼层数量对活荷载折减,且为了使桁架具有一定的安全储备,屋顶转换桁架设计时未对活荷载进行折减。

4 关键节点分析

采用SOLIDWORKS建立节点模型,节点周边任意一根杆件端部距离相邻杆件侧壁交点的长度不小于杆件长边边长。然后采用ANSYS软件对节点进行有限元分析[6]。节点分析中不考虑钢管混凝土柱中的混凝土,只考虑钢结构部分。钢板厚度不大于36mm时采用Q355C,钢板厚度大于36mm时采用Q345GJC。材料的本构关系采用理想弹塑性模型。节点屈服准则采用von Mises屈服准则。

4.1 桁架上弦节点

图5 节点构造

图6 上弦节点等效应力云图/Pa

4.2 桁架下弦吊挂节点[7]

本项目悬挂楼层各层重量均通过独立的拉杆悬挂于屋顶桁架上,屋顶桁架下弦单个吊点含8根或4根独立钢拉杆,每根钢拉杆单独与节点上的1块连接板采用销轴连接。若连接板直接与下弦杆下翼缘焊接,则在下弦杆内部与连接板对应的位置都要设置加劲肋,下弦杆下翼缘钢板沿厚度方向受力有层状撕裂风险,且连接板间距较小、数量多、板件较厚,熔透焊接将产生较大的残余应力和变形,严重影响结构受力安全。为了避免上述受力弊端,将桁架下弦腹板下伸,钢拉杆连接板与腹板下伸板侧面焊接而不与下翼缘焊接,无需在下弦杆内连接板对应位置设加劲肋,减小了桁架下弦的加工难度,避免了钢板沿厚度方向受力,钢拉杆连接示意图见图7。轴交轴钢拉杆受力最大,对该处桁架下弦节点在最不利组合(1.43恒+1.65活)作用下的杆件内力进行有限元分析,该下弦节点的连接板布置图见图8,节点的等效应力云图见图9。由图9可知,该节点最大应力为280MPa,未超过钢材强度标准值335MPa,表明该节点设计满足受力要求。

图7 钢拉杆连接示意图

图8 桁架下弦节点连接板布置图

4.3 悬挂楼层吊挂节点[8]

楼层吊挂节点采用钢管柱套的形式,柱套外设置外环板,钢梁翼缘与外环板相连,腹板与柱套相连,吊挂本层的钢拉杆与钢管柱套侧壁销轴连接,吊挂下部各层的钢拉杆从钢管柱套中部穿过不与本层的钢管柱套连接,楼层钢梁中心线通过钢拉杆中心。轴交轴钢拉杆受力最大,对该处悬挂楼层吊挂节点在最不利组合(1.43恒+1.65活)作用下的杆件内力进行有限元分析,该处15层吊挂节点构造见图10,节点的等效应力云图见图11。由图11可知,该节点最大应力约为268MPa,未超过钢材强度标准值335MPa,表明该节点设计满足受力要求。

图11 15层某吊挂节点等效应力云图/Pa

4.4 剪力墙与钢管混凝土柱连接节点

本项目采用图12的构造解决钢管混凝土柱与钢筋混凝土墙的连接问题,在钢管混凝土柱临剪力墙一侧设置锯齿连接板,墙水平钢筋错开连接板与钢管混凝土柱形成的孔洞并与连接板焊接[9]或者穿过孔洞向钢筋混凝土墙内弯折锚固[10],必要时可在锯齿连接板之间设置一定间距的水平肋板。混凝土穿过孔洞可起到销栓的作用,可防止连接板外侧混凝土保护层脱落,在水平力作用下也可以起到抗剪键的作用,能保证钢管混凝土柱与钢筋混凝土墙的整体受力性能。施工时应加强管理,保证节点处混凝土振捣密实,节点施工完成效果见图13。

图12 剪力墙与钢管混凝土柱连接构造

图13 剪力墙与钢管混凝土柱连接节点施工完成

5 结论

(1)本项目采用各层弱相关的悬挂结构,在顶部设置转换桁架,悬挂楼层各层重量均通过独立吊杆悬挂于屋顶转换桁架上。根据挑空区位置分布及屋顶荷载分布,初步确定屋顶桁架形式,通过对4种方案进行比选,综合考虑经济性、安全性和施工便利性等因素后,确定采用方案4作为主受力桁架布置方案。

(2)本项目通过多种模型包络设计保证了屋顶桁架的安全。是否考虑桁架上下弦楼板的作用对桁架构件受力影响较大,若不采取有效措施保证楼板与桁架杆件共同工作,则按不考虑楼板作用对桁架进行包络设计是非常必要的。

(3)节点有限元分析结果表明,本项目针对各层弱相关的悬挂结构设计的节点满足受力要求。