结构工程师
Structural
Engineers
V01．26，No，5Oct．2010
型钢混凝土空腹桁架转换结构在高层建筑中的应用
哈敏强+
(华东建筑设计研究院有限公司，上海200002)
摘要为满足建筑功能多样化的要求，苏州唯亭科技创业基地工程地上11层，4～5层之间采用27
m
跨9m高叠层空腹桁架转换结构体系来承托上部结构。从工程实例着手，研究了空腹桁架转换结构的结构特性、受力性能、整体分析、转换层楼板的要求，详细介绍了型钢混凝土转换桁架的构件和节点设计，讨论了该种转换结构的设计原则，可为相关的工程设计提供参考。关键词转换结构，空腹桁架，叠层，型钢混凝土，节点
DesignofSteel
ReinforcedConcreteVierendeelTruss
TransferStructuresinHigh-RiseBuildings
HAMinqiang+
(EastChinaArchitecturalDesign＆ResearchInstituteCo．，Lid．，Shanghai200002，China)
Abstract
Tomeettherequireminatedvierendeeltrusstransferentofdiversearchitecturalutilizations，lam
structuralsystemhasbeenappliedinSuzhouWeitingBaseofTechnologyStartups．Thebuildingis11stories
truss
hichthetransferstructureiSlocatedinthehigh．inw
adoptedas
a
4山～5恤story．The
laminatedvierendeel
truss
whichis
transferstructure，is27
meters
eterslongand9m
hiIgh．Vierendeel
hasgreatvertical
stiffnessandfavorablebearingcapacity．ThematerialofthetrussisSRC，whichhassuperiorand
seismic
bearingcapacity
the
behavior．According
to
the
practicalengineering，the
issures
including
structural
ance，andthecharacteristic，bearingperform
requirementofthetransferfloor，were
truss
analyzed．The
component，
constructionaldetails，jointoftheSRCtransferWasdiscussed．It
Keywords
can
wereintroduced，andthedesignprincipleofthestructure
beusedas
a
valuablereferenceforthe
design
ofsimilarstructures．
transfer
structure，vierendeeltruss，laminate，SRC
structure，joint
度。结构体系为钢筋混凝土框架一剪力墙结构。
1工程概况
苏州唯亭科技创业基地总建筑面积为5万多平
方米，由主楼和附楼两部分组成。主楼地下1层，地上11层，从室外地坪至大屋面高度54．5m。主楼平面尺寸为99
mx31
m。框架柱网为9．0mx8．5m，
剪力墙墙厚沿高度分段减薄，从下到上为400—300mm，混凝土强度等级从下到上为C50一G40，底层主要的普通框架柱截面尺寸为800
ITlln×800
111／11。建
图1效果图
Fig．1
Architecturalperspective
筑效果图见图1，主要楼层平面见图2。
主楼抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为6
收稿日期：2010-01—29
‘联系作者，Email：h_m_q@sina．咖
设计方法研究
9
结构工程师第26卷第5期
图2建筑3层平面布置
Fig．2
Thethirdfloorplanofthebuilding
主楼主入口处建筑要求1—3层为大空间，有2根框架柱被抽除，形成转换桁架。结构设计中2转换结构的选型和力学性能分析
为满足建筑平面和立面要求在4，5层之间采用
27
m跨2层高叠层空腹桁架来承托上部结构。
本工程转换结构跨度27m，转换层上部层数框支柱采用抗震性能良好的型钢混凝土柱，并按较多荷载较大，普通的宽扁梁转换不能满足承载规范对其地震作用进行放大。空腹桁架杆件也采力要求；斜柱转换和桁架转换传力明确、布置灵用了型钢混凝土，截面按拉弯和压弯构件设计配活、地震反应较小，是受力较为合理的转换形式。筋。转换层以上钢筋混凝土框架的抗震等级为四建筑立面要求不能采用斜向构件，因此设计中否级；转换层以下钢筋混凝土框架的抗震等级为三定了斜柱转换和带斜腹杆桁架转换方案，选取了级，其中，框支柱和转换桁架的抗震等级为二级。空腹桁架转换。经分析计算，最终选取了2层共。
全楼钢筋混凝土剪力墙的结构抗震等级为三级。
9
m高的叠层空腹桁架，而杆件选取了型钢混凝
工程已于2008年结构封顶，使用良好。
土以提高结构的延性和抗震性能(图3)。
图3空腹桁架转换示意图
Fig．3
The
sectionofthevierendeel
truss
叠层空腹桁架由弦杆及直腹杆组成，其杆件好；其杆件截面较小，能有效避免梁式转换层常见
除承受弯矩和剪力外，还承受较大的轴力。空腹的“强梁弱柱”现象，有较大的延性和耗能能力，桁架转换结构的上、下水平杆件具有相对较大的抗震性能优越。
轴向压力和轴向拉力，其值随转换结构的结构布设计空腹桁架时，按SATWE作整体结构计置形式的不同而有所不同。在荷载作用下，空腹
算中将和空腹桁架相邻的楼板设为弹性楼板；同桁架受力均匀、传力明确、结构合理并经济性良
时，采用ETABS对整体结构模型进行复核。为了
StructuralEngineersV01．26，No．5
-10
ethodStudyofDesignM
更明确地分析桁架构件的内力分布情况，还从整体模型中取出单榀模型，采用SAP2000对单榀模型进行复核分析，得到恒载作用下的弯矩、剪力、
轴力(图4一图6)。可以看到，空腹桁架下弦的
弯矩、剪力和轴拉力最大。
图4恒载作用下弯矩图
Fig．4
Momentofthevierendeei
Lruss
duetodeadload
图5恒载作用下剪力图
Fig．5
Shearforceofthevierendeel
trtl$$$due
tO
deadload
l
I
II
_J
L
一--L
I
图6恒载作用下轴力图
Fig．6
Axial
forceofthevierendeel
tl\"tlSSS
due
to
dead
load
3转换结构的整体计算分析
转换结构上下层竖向构件不连续，竖向刚度
发生变化，而沿楼层抗侧刚度的突变是影响高层建筑动力反应和引起局部破坏的主要因素，因此计算时必须将转换结构作为整体结构的重要组成部分来进行整体计算分析。
结构分析分别采用了SATWE和ETABS两种软件，采用扭转耦联振型分解法，考虑P一△效应
及双向地震作用。整体计算分析时包括地下室。
主要计算结果见表1，结构的各项指标能满足规范要求。
衰1
主要计算结果
Table1
Themainresultsofthestructural
analysisSATWE
ETABS
项目
周期
振型周期
振型瓦
1．607X向1．508X向结构基本自振
1．429周期／8
疋扭转1．354扭转巧
1．385
y向
1．317
y向
扭转与平动第一自振
O．890．898
周期之比1．051．03位移比(偶然偏心)
△。／8,△，／8r
1．321．18地震作用最大
X1／31821／3423层问位移角，
1／2
814
1／2874风荷载最大X
1／99991／15
942
层间位移角
，1／37161／5573结构总重量／t
89867
91065
结构各层的侧向刚度均大于相邻上1层侧向刚度的70％以及其上相邻3层平均侧向刚度的80％，刚度比满足要求，塔楼无明显结构软弱层。
由于转换层设置在3层，按JGJ3_2002《高
层建筑混凝土结构技术规程》(以下简称《高规》)
附录E．0．2的要求，其转换层上部与下部结构的
抗侧刚度比％宜接近1，抗震设计时不应大于
1．3。
吼=△1幔／A2H1(1)
对应SATWE计算中，采用“剪弯刚度”方法计算，得到X方向刚度比为0．8596，y方向刚度比为0．8721，均小于1．3且接近1，满足规范要求。
同时，转换层设置在3层及以上时，按《高规》要求，其楼层侧向刚度尚不应小于相邻上部楼层侧向刚度的60％。对应SATWE计算中需采用“层间剪力比层间位移算法”来计算层刚度，从
而进行转换层侧向刚度比60％的下限控制。经计算，转换层本层侧向刚度与相邻上一层楼层侧向刚度之比为1．14(x向)、1．25(y向)，大于60％，满足规范要求。
空腹桁架构件采用型钢混凝土，框支柱采用型钢混凝土柱，框支柱及空腹转换桁架的抗震等级提高到二级，并将框支柱轴压比控制在0．7以内，桁架截面按拉弯和压弯构件设计配筋。型钢
混凝土构件中钢骨采用满足抗震要求的钢材，强
屈比大于1．2，并控制钢材屈服强度变化幅度。
设计方法研究
空腹转换桁架所在楼层及其相邻下一层地震力按薄弱层要求放大1．15倍，并且空腹转换桁架传递
11
结构工程师第26卷第5期
矩有效传递在和空腹桁架相邻普通混凝土梁内设置了一段钢骨；在空腹桁架上部混凝土柱中同样设置了构造钢骨。桁架两侧转换柱中的型钢伸至基础底板。
给框支柱的地震内力放大1．25倍。按照《高规》
要求，每根框支柱所受的地震剪力至少取基底剪力的3％。
4型钢混凝土的构件和节点设计
，为了提高结构的本工程转换结构跨度27m
延性，构件材料选取了型钢混凝土，这种结构形式为结构设计提出了新的要求。图7、图10是其型钢混凝土梁柱的构造和节点设计，图8、图9是桁
H嘏
36’f
3叶
▲塑▲塑l
图7型钢混凝土框支柱构造
Fig．7
SRCtransferColumn
架按对称轴取右半部分的构造详图。为了保证弯
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16450
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擅蔚加密区(舢2缉2叫4))
的
1
量
图8空腹桁架下弦构造
Fig．8
The
joint
detailofthevierendeeltrtls$atlowerchordmember
图9空腹桁架上弦构造
Fig．9
The
joint
detailofthevierendeeltnlss
at
emberhigherchordm
Structural
EngineersV01．26，No．5
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ethodStudyofDesignM
图10型钢混凝土柱与型钢混凝土梁相交连接节点
Fig．10
The
joint
detailofSRC
空腹桁架下弦有很大的轴向拉力，型钢混凝土构件配筋和型钢截面均比中间层弦杆和上弦要大很多。下弦的梁面钢筋配筋率为1．70％，粱底为1．47％，下弦的含钢率为3．7％。
型钢混凝土构件正截面承载力按照JGJ
138_2001《型钢混凝土组合结构技术规程》拉J
(以下简称《型钢规程》)计算，型钢混凝土梁考虑
轴力的作用，用拉弯和压弯构件计算，同时采用华
东院自编的承载力计算软件进行复核。此软件基于截面纤维模型的积分算法及截面的平截面假定，利用有限元原理，首先把截面离散成小单元，
在每小个单元上根据材料本构关系由应变计算出
应力，通过对每个单元应力的积分得出截面承载力参数及Ⅳ一M相关曲线。
《型钢规程》中型钢混凝土压弯构件斜截面承载力公式为
K≤三冬bh。+厶‰。
++—■了。
鼍t．hh，+0，一．+
u707州
Ⅳ
(2(一))
其混凝土部分抗剪承载力沿用旧的89混凝土规范，2002混凝土规范中斜截面受剪承载力已不用
Z，因此参考《型钢混凝土组合结构构造
与计算手册》D1对型钢混凝土梁柱斜截面承载力
用以下公式复核：
圪≤尚‰螺争。
++—氅1t。，。，h。。+u+o．u，』07ⅣV
((=，，3)
5转换层楼板的分析设计
结构中的楼板使竖向抗侧力构件协同工作，
将作用在上部结构的水平力可靠传递到下部结
构，起着非常重要的隔板作用。因此，若楼板刚度
模型选择不当，可导致结构整体计算精度不足、分
析结果失真。本工程中转换桁架水平力较大，在楼板平面内将产生较大的变形，这就要求转换桁架附近楼板按弹性楼板计算，即考虑楼板自身平面内的有限刚度。桁架所在楼层相邻楼板厚度设计增加至180mill，并且双层双向加强配筋，而在计算中为了获得偏于安全的结果板厚取10
mm。
标准层结构楼板长度100m，远远超过《混凝土结构设计规范》要求的伸缩缝最大间距。为了减少温度和混凝土收缩的影响，并预防楼板在温度降低时受拉开裂而产生对转换桁架较为不利的影响，在板内配置预应力钢筋。楼板混凝土强度等级为C40，板内配置直线束无粘结预应力筋，位于板厚中心位置。无粘结预应力筋张拉端和固定端构造见图11。
张拉■(凹入式)
固定■
图11预应力锚固区构造
Fig．11
Thejoint
detailofanchorage
zones
ofprestressed
concrete
空腹桁架转换结构的设计原则
空腹桁架转换结构是整个建筑结构中的薄弱
(1)对于整个建筑结构的抗震设计，在满足
(2)对于转换结构本身，在满足杆件间合理(3)转换结构上部的结构按“强柱弱梁、强边以充分发挥弦杆的承载能力和变形能力。
6
环节，应优先重视其抗震能力、耗能能力的设计。叠层空腹桁架转换层的建筑结构抗震设计原则如下所述。
工而改用层间刚度比要求的前提下，应遵循“强转换”原则，即“强化转换层及其下部结构、弱化转换层上部结构”的原则，以保证转换结构及其下部大空间结构有良好的强度、刚度、延性和抗震性能。
刚度比的前提下，应遵循“强底梁、强节点”原则，底梁承受较大的拉力，应保持最底部水平杆件和节点不形成破坏机构。
柱弱中柱”的原则，以使塑性铰优先在梁端产生，
确保柱有较高的安全储备，即有较高的承载能力，
设计方法研究
13
结构工程师第26卷第5期
(4)对于转换结构的截面设计，应遵循“强剪弱弯”的原则，以使构件发生延性较好的受弯破坏，避免发生延性较差的剪切破坏。
7结语
苏州唯亭科技创业基地型钢混凝土叠层空腹
桁架转换结构工程实践表明，该种转换体系结构
合理、传力明确、结构承载力高，能够较好地满足建筑功能要求，型钢混凝土空腹桁架的承载能力和延性明显优于普通混凝土转换结构。在设计中，须重视楼板计算模型对桁架受力的影响，重视叠层空腹桁架下弦型钢混凝土杆件在重力荷载下的控制以及其轴力的影响，适当加大下弦的含钢率和配筋率；考虑型钢混凝土组合结构的特点，做
好连接节点设计，保证节点构造合理可靠以满足
受力性能的要求。
致谢在苏州唯亭科技创业基地项目的结构设计过程中，陆道渊教授级高工和陆益鸣高工给予了很多关心、支持和指导，在此表示衷心感谢!
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