桁架式结构 [结构设计中的斜撑转换应用探讨]

　　摘要：随着高层建筑的不断增多，各种结构体系的改进及推出。结构设计的合理与否直接关系到结构安全及寿命，大至影响到社会经济效益。本文结合工程案例，对钢筋混凝土斜撑在结构设计中的应用及计算进行分析，以供参考。
　　关键词：斜撑转换层结构设计
　　中图分类号：TU318文献标识码： A 文章编号：
　　引言
　　在进行结构设计时，由于建筑功能的需要，竖向构件不能连续时，将需要通过转换构件对竖向构件进行转换，斜撑对竖向构件进行转换有很多优点。首先斜撑转换通过斜撑受压和楼盖受拉来将上层柱（或梁）传来的重力荷载传至下层柱，传力路径更加明确，以构件受压受拉替代构件受弯受剪来承受重力荷载，受力方式更为合理。其次由于上部重力荷载很大，采用转换梁转换，转换梁的截面必然很大，一方面导致转换梁下部空间无法再利用，自重大、配筋多、不经济等缺点，另一方面导致竖向结构重和刚度分布在转换层变化不连续，对结构的整体抗震性能不利，而斜撑转换的转换层与上下层的刚度比变化幅度很小，因此在水平地震作用下，可以避免结构层间剪力和构件内力发生突变，有利于结构抗震。作者在以往工程设计中使用了多种形式的斜撑转换，分别介绍如下：
　　1 分析模型的确定
　　基于上述考虑，本文所建立的分析模型为三层单跨带腋撑二维框架，能够代表典型的多层大跨度体育建筑，其跨度为30m，层高依次是8.7m、8.9m、5.7m，框架柱截面尺寸为1000×1200(mm×mm)、框架梁截面尺寸为600×1400(mm×mm)、斜撑初始截面尺寸为600×600(mm×mm)。考虑到结构的实际受力特点，分析时假设竖向荷载作用下结构框架梁上承受的力为等效的均布线荷载，而且为更好地体现结构的内力变化特点，有目的地增大框架梁上的等效均布线荷载值，本文分析取较大值30kN/m(不包括结构构件自重)，计算模型如图1所示。图中α、L1含义与如图1所示，L2为腋撑轴线与框架柱轴线的相交点到梁柱轴线相交点的距离（以下简称“腋撑与柱顶端距离”）。
　　2 竖向荷载作用下带斜撑框架的受力特点分析
　　结构工程师常需两个参数(腋撑与梁端距离L1、腋撑与梁内夹角α）就可完全确定腋撑的设置位置。因此，本节使用结构分析软件SAP2000建立分析框架模型，对保持腋撑与梁端距离L1不变的情况下，通过改变腋撑与梁内夹角α的方法重点分析腋撑位置的变化对结构内力分布的影响。腋撑的设置位置编号见表1-1。
　　
　　图1三层单跨带腋撑RC框架计算模型
　　
　　
　　
　　表1-1 腋撑设置位置编号
　　
　　
　　注：R-10-15中R表示RC框架结构，10表示腋撑与梁端距离为L/10(L为梁的名义计算跨度，含义见图2-1所示)，15表示腋撑与梁内夹角为15°，其余编号道理相同。
　　2.1 弯矩变化特点
　　图1-2～4分别为结构各层框架梁跨中弯矩值变化特点、梁端弯矩值变化特点以及柱底端弯矩值变化特点。
　　
　　图1-2 梁跨中弯矩变化图1-3 梁端弯矩变化
　　
　　
　　图1-4 柱底端弯矩变化图1-5R-10-15 弯矩分布
　　从图1-2中可以看出，结构各层框架梁跨中弯矩值与腋撑与梁内夹角α表现为近似线性的变化关系：即α线性增大时，各层梁跨中弯矩线性地减小，反之亦成立。与等跨度的常规RC框架相比，结构各层框架梁跨中弯矩明显减小。
　　由图1-3中可以看出，腋撑与梁内夹角α的变化对结构各层框架梁的梁端弯矩影响显著，且呈现出明显的非线性变化特点，梁端弯矩随α增大而减小，但当α值增大到50°后，第三层框架梁端弯矩开始反向增长，然而其它层梁端弯矩依然减小；相反，各层梁端弯矩随α值的减小而增大。从图中还可以看出，当α值在40°以上区间变化时，各层梁端弯矩变化不明显，这表明腋撑与梁内夹角在较大值范围内变化并不会对梁端弯矩造成很大影响；然而当α值到40°以下区间内变化时，梁端弯矩随α的增大而急剧减小，表明梁端弯矩对α值在40°以下变化时非常敏感，弯矩增大（或减小）的幅度显著。与等跨度的常规RC框架相比，梁端负弯矩被大幅度地减小，从而改善了节点区的受力性能。
　　 由图1-4可知，框架各层柱底端弯矩均随α的增大而减小，尤其框架顶层柱底端的弯矩减小幅度比其它层较显著。
　　3、实例分析
　　3.1、悬挑三角形桁架转换
　　某高层写字楼项目，共26层，高99m，框架核心筒结构，外围框架柱距8.7m～12m不等，因建筑立面需要，十六层楼面以下，抽掉一根外围框架柱，因而相当于此柱在十六层楼面转换，若采用普通梁式转换，转换梁跨度为22.55m，根本无法实现，设计时也考虑过采用22.55m跨度的桁架转换，上下弦采用混合结构，技术上可行，但桁架的施工难度大，且桁架的斜撑影响建筑立面效果，最后经与建筑专业沟通在十六层楼面以下此柱与核心筒之间
　　的位置设置一框架柱，用此柱与斜撑、框架梁一起组合成悬挑三角形桁架的转换形式，此方案，传力直接，施工难度大大减小，不影响建筑的使用功能，且大大节约了造价。见下图：
　　
　　
　　施工图设计时，考虑中震下的竖向地震作用，对此部位构件进行复核计算，且采用ETABS软件对该部位进行了有限元分析，对受拉构件及斜撑加强了构造设计，且对十六层的该区域楼板及十三～十五层核心筒的剪力墙进行了加强，且施工过程本人多次到现场对此部位的构造连接进行指导，现已建成，整体效果良好。
　　3.2、Y型斜撑转换
　　某项目为高层商住楼，一～三层为大型商场，五层以上为公寓，四层为架空层，作为公寓的会所及空中花园，由于商场与公寓对建筑空间的不同需要，决定在五层楼面进行竖向构件转换。为了能够设计出结构合理、造价节约的结构形式，建筑与构造专业做了大量的配合，进行了多个方案的分析比较，最后决定上部公寓采用框架剪力墙结构，公寓中间由下层的一根柱通过Y型斜撑转换成两根柱，见下图：
　　
　　
　　采用ETABS进行了应力分析，结果显示Y斜撑顶部梁抗应力较大，施工图设计时在两斜撑之间设置了400mm厚墙将两斜撑连接在一起，由于采用了这种较好的转换形式，转换层板厚仅做了150厚，大大节约了造价。
　　3.3、人字型斜撑转换
　　人字型斜撑转换由于传力路径明确，受力方式合理，且其下净空基本能够满足建筑的使用要求，是一种常见的斜撑使用形式，本人在结构设计中多次使用，举例见下图：
　　
　　施工图设计时对节点构造进行了加强，受拉弦要求钢筋通长，不得搭接，受拉弦周围楼板厚度为180mm，双向双层配筋，受拉弦及楼板裂缝都小于0.2mm。
　　4 结论
　　根据斜撑转换的受力特点，采用钢筋砼斜撑转换时，斜撑受拉弦所在楼层应采用弹性楼盖计算。分析楼板的应力分布，考虑充当受拉的楼盖梁在拉力作用下出现裂缝，引起受拉弦楼盖梁刚度退化，造成对整体转换结构的不利影响。受拉楼盖梁需要满足重力荷载下的裂缝限制要求，同时为了保证斜撑转换结构中斜撑、受拉、上下层柱在大震作用下可靠工作，有必要采用弹性反应谱大震复核计算它们的极限承载能力。最后再详图设计时，应注意加强节点的构造连接，确保连接可靠。
　　参考文献
　　[1] 熊勇. 带腋撑大跨度预应力 (钢筋) 混凝土框架结构试验研究[D]. 广州：华南理工大学，2008
　　[2] 中华人民共和国国家标准(GB50011-2010)，建筑抗震设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010
　　[3] 中华人民共和国国家标准(GB50010-2010). 混凝土结构设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2010
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