关于转换桁架在高层建筑结构转换层中的应用

关于转换桁架在高层建筑结构转换层中的应用

摘要：本文对转换结构构件进行弹性有限元应力分析，经优化比选，改采用有粘结预应力转换桁架的结构转换方式，使得转换结构体系轻巧、合理。

关键词转换层，应力分析，转换桁架

1．工程概况

某工程总建筑面积约19000m2，建筑高度58.9m，地上十九层(第六层为设备及结构转换层，层高2.2m)，地下一层（层高4.2m）。建筑场地类别为Ⅱ类，7度抗震设防，框架结构抗震等级按三级。因本高层建筑底部一至五层用作办公、会议用途，主要建筑开间尺寸为5.2m至6.9 m (图1)，七至十九层为住宅用房，主要建筑开间为3-3.9m(图3)，为充分满足住宅用房使用舒适度的要求。有效降低框架梁梁高，从而提高住宅用房房屋净高，在第七至十九层的住宅层故采用小柱距结构体系，利用第六层设备层作为结构转换层(图2)，采用结构转换构件实现上、下结构体系的竖向转换。

2．转换构件应力分析及优化

在选择结构转换构件时，最初拟采用梁式转换，通过中国建科院SATWE电算软件进行试算，需支托的上部结构框架柱柱底内力，因需支托的框架柱最大柱底轴力设计值达3236.1kN,经试算，梁断面取430mm×1300mm(C35混凝土)即已达到受弯构件极限配筋率上限，为使结构转换构件具备足够的安全度，同时为了避免因采用该断面尺寸的深受弯构件，导致该结构转换层框架柱净高仅900mm(该结构转换层层高2.2m)，在整个竖向结构体系中形成了一层极短的短柱层，对整个结构体系带来不利影响并对本层结构的设计、施工带来困难，为此，利用该结构转换层的整个层高，改采用450mmx2700mm深受弯梁，将该楼层上、下楼板粘连、整浇，避免了形成极短柱层，并提高了转换构件的竖向承载能力。

若设置450mm×2700mm连续及单跨深受弯梁，该梁最大跨高比2.55，已接近深梁的范畴，该梁的受力特性较普通框架梁将发生根本性变化，同时，由于设置的该深受弯梁，粘连了结构转换层的上、下层楼板，如同设置了一道墙高同结构转换层层高、厚450mm的抗侧剪力墙体，使得该层X向抗侧刚度相对于相临的上、下结构展来说显得过高、过刚。为此，采用ANSYS8.0通用有限元电算程序对该450mm×2700mm的深受弯结构转换构件进行进一步的应力分析及设计优化。

选择①至⑤轴线间、○c轴线上的该两跨连续深受弯转换构件进行有限元虚力分析，通过ANSYS8.0建立了各向同性的弹性结构体块，选用quar node195单元模型及SMARTSIZE单元网格划分，对该两跨连续深受弯梁进行了弹性静力有限元分析。三个框支柱第五层柱底端简化成固端约束，忽略该结构构件侧向荷载／作用的影响，经电算，得出该构件如图4、图5所示的第三主应力σ3，云图及应力矢量云图。从应力矢量云图来看，该深受弯转换构件固跨高比的尺寸，效应已较明显地出现了主压应力矢量沿短向受力路径波动的迹象，即上部框架柱传下的轴向压力落至该转换构件顶部，经局部的压力扩散，主压应力流大部分直接导向两支座框支柱的顶端，而构件底部单元沿长向处于纯拉应力状态，整个深受弯转换构件呈现出斜腹杆桁架的受力力学模式，已完全不同于普通受弯梁的受力模式，从该两跨连续深受弯转换构件的第三主应力σ3分析结果可以看出，占该构件的85％的部分，其混凝土主压应力小于5.75Mh，远小于该构件混凝土抗压强度设计值，这从另一方面说明采用该深受弯转换构件，远未充分利用构件的材料强度特性，构件的安全系数设计过大，构件设计笨重、不经济。

为此，经上述分析，改采用预应力桁架转换方式，沿原深受弯转换构件应力矢量云图中自承托的上部结构框架柱柱底至该跨两侧支座框支柱的顶端的短向受力路径方向上，设置450mm×550mm的斜撑柱(斜腹杆)，在该结构转换层的上、下楼面标高处设置连续框架梁(上、下弦杆)，因斜腹杆所受轴向压力传到下部，梁柱支点后产生了对下弦杆的水平拉力并通过下弦杆楼面对建筑物的各竖向抗侧力构件产生水平推力，为提高下弦杆的抗裂度及抵消该水平推力对抗侧力构件产生的不利影响，对下弦杆采用有粘结后张法预应力混凝土，从而形成预应力桁架转换方式，如HJL1立面图及相关大样(图6)。通过SATWE输入桁粱转换构件，经电算取得该桁架各杆件内力如表2所示。

表1转换桁架各斜向支撑构件轴向力

采用预应力桁架转换构件，较之深受弯梁转换方式，可大幅降低转换层急增的抗侧刚度，按总刚分析方法，采用预应力桁架转换方式与采用深受弯梁转换方式相比，转换层地震作用力较之下层的地震作用力增量大帽下降了62.1％(图7)，减缓了转换层抗侧刚度急增的幅度，从而使得各楼层地震作用力在转换层位置处的陡增段减缓，各楼层地震作用力的分布特别在转换层上下附近几层处尽可能得以平缓过渡，尽可能缓解了转换层抗侧刚度的急增、突变，使结构竖向布置均匀，整体建筑物侧向受力及变形更趋合理。

3．结语

针对本工程在2.2m层高的设备屋设置结构转换构件，经对梁式、桁架式转换构件的对比分析，通过综合考虑结构体系设置的合理性及运用ANSYS8.0对深转换梁的内力云图分析，从储备足够的结构安全度、施工的可实施性及使结构体系更趋合理等方面考虑，改采用预应力桁架转换构件方式，较之梁高同转换层层高的深转换梁，可较好地改善结构体系抗侧刚度突变的弊端，使转换构

件更趋轻巧、合理，较为优化。