绿建大厦斜撑转换结构设计

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1   工程概况 江苏绿建大厦(图1)位于国际服务外包产业园西北角。建筑地上部分16层，底部两层层高6.0m，标准层层高均为4.2m，建筑总高度67.8m（指室外地面至主要屋面）。1层（局部架空）为门厅和接待用房，2层为碳交易大厅，3层及以上为标准办公空间。1层北侧通过结构设堆坡，覆土形成种植景观。地下3层，局部比上部主楼扩出[JZJG1] 上部结构1至2跨，设置设备用房、地下车库、人防等。 [JZJG2]  图1 江苏绿建大厦效果图 抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组第一组，建筑抗震设防类别为标准设防类，场地土类别III类，设计特征周期0.45s。雪荷载：基本雪压S₀=0.65kN/m²（50年一遇），风荷载：按100年一遇（60m以上）为0.45kN/m²。地面粗糙度类别B类。 地下2层顶板作为嵌固端，地上部分利用建筑平面南北两个电梯井适当布置剪力墙，形成框架-剪力墙结构体系；抗震等级框架二级、剪力墙二级，典型柱网8.4 m×8.1m，8.4 m×6.6m。 [JZJG3]  图2标准层平面 建筑底部两层中部为形成开敞的大空间，有三根框架柱不落地，要求结构进行转换(图2)。对于抬柱转换，因为上下层刚度不会有突变，在框架结构中可以用梁式转换。转换梁传力直接，转换层附近结构侧向刚度变化均匀。但当荷载较大时，转换梁正应力、剪应力较大，受力复杂，为了保证一定的安全储备，通常断面较大。以本工程而言，三榀转换梁跨度均为16.8m，经试算，断面要达到900 mm×2600mm（C40，计算配筋率2%），这么大的梁在常规断面的结构中是很难融入的，同时也带来了较大的质量，给施工和建筑使用带来了不便。同时建筑要求4层楼面开大洞，对转换层受力不利，所以本工程必需找到一种更加高效的转换方式。 2  斜撑转换及其特点 根据工程特点，最后采用穿越3,4两层的人字形斜撑转换，如图3所示。为减小斜撑断面，增加延性，斜撑及下承柱做成型钢混凝土，并提高抗震等级。斜撑是符合建筑使用要求的，在建筑内部4层楼面中部开有大洞，从而可以看到整个斜撑，充满了力度感，同时给建筑带来乐于接受的开敞空间(图3)。我们在其他一些工程中也多次使用斜撑转换，通常建筑师对斜撑的存在总是乐于接受的。 图3结构计算模型 在国内已建工程中已经有很多采用了斜撑转换，如：绥芬河海关业务技术综合楼、武汉世贸中心、珠海信息大厦工程、沈阳华丽广场、华敏帝豪大厦等，在这些工程中，最常见的斜撑转换主要用在外框柱。相对而言本工程的斜撑转换体量大、跨度大，对整个结构体系影响较大，拟就本工程研究斜撑转换的设计特点。 工程中常用的转换形式有梁式、桁架、空腹桁架等，如图4所示。从力学上来分析，令为转换上部荷载所需要的卸载长度，见图4，在四种常见的转换手法中，斜撑转换具有最长的卸载长度，同时对于力流有较好的引导作用。 图4标准层平面 所谓力流是应力沿着杆件（或其他受力实体）传播的流线，杆件的布置其实就是对力流的导向，就像河流的堤岸对水流的导向一样，如图4中桁架、空腹桁架等两种桁架转换形式实际上是微观上对第一种梁式转换的力流导向的优化，它们都有各自不可取代的优点。 竖向构件的转换，实际上是对力的传递，为了力得以传递，变形必然随之而发生。高效的力流体系总是首先产生最直接的变形，如杆件的压缩、拉伸，如膜的张紧等，从而能够使力流的导向明确，使传力途径短而直接，能充分利用材料的力学优势，节省材料。本工程斜撑断面仅600 mm×800mm，内配型钢H400×250×20×25，尚小于被转换柱的断面700 mm×900mm。不仅节约了材料，也节约了大量的人力、物力，相比梁式转换，总的节约约在30%左右，具有良好的经济效果。 同时力流的导向，还应该考虑到力流传递后的几何效应，一个优秀的例子是上海东方明珠电视塔，结构的下部有更大的抗弯模量，斜撑转换也有这个特点。 本工程中⑦轴上被转换的柱不在转换柱的连线上，所以⑥，⑦轴的斜撑与Z轴间有5°的外倾夹角，这榀斜撑如同图5中两种结构的组合，这个倾斜在5层楼面产生了拉力，拉力。这个力不大，经计算普通混凝土梁正常配筋裂缝就能解决，设计中加强了构造措施。5°的夹角虽然不大，却帮建筑解决了问题，这是其他转换形式不容易做到的，体现了斜撑转换的灵活性。 图5  ⑥，⑦轴的斜撑分析 表1是通过梁式转换和斜撑转换的整体计算结果对比。从表1可以看出，斜撑转换最为明显的变化在转换柱顶的弯矩大幅减少，仅为梁式转换时的20%，这是由于斜撑转换力学概念清晰，传力更加直接。 梁式转换和斜撑转换的整体计算结果对比    表1

转换 转换构件 尺寸/mm T₁/s T_t/T₁ 转换层质量/kN 转换层Y向 刚度/（kN/m） 转换层地震力/kN 跨中恒载Z向位移/mm 转换柱恒加活 弯矩/(kN.m) 梁式 900×2600 2.27 0.78 2156 1.91×10⁶ 856 15.8 2714 斜撑 600×800 2.11 0.81 1892 2.80×10⁶ 799 10.14 567

  斜撑转换的另一个明显优点是竖向刚度大，它的变形完全是由杆件的轴向压缩产生的。工程中在自重作用下，三榀斜撑顶的平均Z向位移12mm，仅比周边非转换节点多出2mm，仅是梁式转换的50%左右，避免了上部结构因为竖向变形差异产生次内力，这对整个结构的安全和经济都是常有利的。在工程中采用斜撑转换，取得了良好的建筑效果，避免了一个自重很大的转换层，有利于抗震。同时斜撑转换因为自重轻、力流合理，除使其下部3层梁受拉外，对周边的结构影响很小，容易控制，也便于周边结构的布置（比如四层楼面中部开有大洞）.斜撑对于下部的转换柱没有产生很大的弯矩、剪力，本工程转换层柱均未出现短柱，控制轴压比0.7，配筋接近构造。 3  斜撑转换的设计要点讨论 通过对X，Y双向地震工况下几榀框架的内力分析，并与无转换的情况的对比可以看到，在Y向地震（斜撑平面内）下，斜撑承担了绝大部分的地震剪力（110%左右），表现在一对斜撑中出现了巨大的拉压力；3，4两层中框架柱几乎不承担水平地震力，楼层剪切变形可以忽略；在剪力墙中由于变形模式的改变，反而出现了反向的剪力，约占楼层剪力10%左右； 5层柱底弯矩比无转换的情况都有所放大，斜撑顶很像上部的柱嵌固处，3，4两层柱上下弯矩都很小，仅为附近楼层柱弯矩的1/10~1/7，没有明显的分布规律；5层柱底弯矩基本由4层的Y向梁平衡；在斜撑顶人字斜撑和Y向梁共同平衡了上柱底弯矩，斜撑负担的约为梁的2/5；斜撑中的弯矩在3层底和4层顶基本相同，在3层顶和4层底接近为零。 在X向地震下，整个结构的反应和非转换框架基本一致，斜撑平面外的作用类似框架柱，斜撑弯矩基本与上层框架柱弯矩相当，稍弱于框架柱；斜撑中均匀的分担上部柱50%的地震剪力。 另外在双向地震作用下均有部分楼层地震剪力通过5层楼面传递到周边竖向结构；在小震下这部分力不是很大，引起的楼板应力也不大（图6）；而在3层楼面中，更明显的楼板内力出现在Y向地震作用下，此时斜撑中巨大的内力在水平向按下层竖向构件的刚度重新分配，3层楼板将起到传递内力的作用。 斜撑穿过3，4层，4层梁的断面与斜撑相当，可以保证对斜撑有足够的双向约束。为了分析4层梁的作用，计算中让斜撑和4层梁完全脱开，此时在X向地震时，斜撑仅能传递上部15%的地震剪力，平面外弯矩也仅相当于与上层框架柱弯矩的30%；同时5层楼面的应力也有略微放大；斜撑计算长度变大后配筋明显增加。计算表明4层梁的存在对斜撑平面外有较大影响，能有效改善结构的受力特性，而对斜撑平面内没有明显影响。 （a）5层Y向地震 （b）5层X向地震 （c）3层Y向地震 图6水平地震下楼板内主应力S1[JZJG4] （kN/m²） 斜杆在水平荷载下会有巨大拉压力出现，所以在工程中应以大震下斜撑杆不被压溃，节点不破坏作为设计要点。工程中，地震力和重力代表值叠加工况下，中震时斜撑即出现较小的拉应力，在罕遇地震下拉力达到2700kN以上，斜撑中设置了型钢，控制了大震下斜撑轴压比，加强了斜撑顶部节点和相关构件的连接，见图7，保证了重要构件及相关节点即使遭遇罕遇地震，不首先破坏。 斜撑转换下弦杆（3层梁）受拉，拉力是斜撑的水平分量，所以首先应该合理控制斜撑和楼面的夹角，即控制图4中的，结构师应该和建筑师共同协商将夹角控制在45°以上。在SATWE计算中，要算出这个拉力，需采用弹性板，弹性板会合理地分担一部分拉力，可以将板减薄或掏空计算以增加安全富余。4层梁虽然与斜撑连接，但计算表明其拉力很小，可以不做加强。根据上节的分析，4层梁作为斜撑的侧向支撑，减小了计算长度，对结构安全是有利的。 图7斜撑顶部的型钢节点   对受拉梁可以设预应力或配置型钢，工程中梁中控制轴力（拉力）3000kN左右，在大震下增加不多，在梁内设置了有粘结预应力，并要求非预应力筋焊接贯通。预应力张拉应控制时机，过早次应力大，太晚了不能及时抑制梁的开裂。预应力筋的用量应控制长期工作状态下的裂缝宽度，防止拉杆刚度的退化可能对转换结构带来不利的影响。 由于斜撑受力复杂，节点一般加强加大做成刚接，与节点相连的梁断面宜加大，以保证钢筋的有效锚固，同时也有利于增加结构富裕度，防止意外情况下结构连续倒塌。设计时宜采取铰接和刚接的包络设计以保障结构在大震开裂后的结构安全。 工程中斜撑跨度大(占建筑平面长度近1/3)，体量大(穿越两层)，带来了极大的刚度，斜撑所在的3，4两层Y向抗侧刚度（地震剪力与地震层间位移的比）比不用斜撑（梁式转换）时增大了115%，从而使2层形成了软弱层；Y向抗剪承载力比不用斜撑时增大了60%，从而使2层形成了薄弱层。 经过分析斜撑虽引起楼层刚度突变，但并没有吸收过多的地震力，而先行破坏。 工程斜撑体量大且均布置在Y向，使得3，4两层刚度放大了1倍以上，但结构计算结果表明，双向的抗侧刚度基本接近，前两个平动周期分别为2.11和2.01s。设计中分析了楼层的水平地震力，见图8，其中楼层质量为楼层重力代表值，楼层号为模型中的序列，6，7两层为斜撑所在层，为了方便对比，对数据进行了比例处理。可以看到虽然因为设置了斜撑，6，7两层的刚度放大很多，但小震和大震下Y向各层楼层地震剪力数值没有突变，非常缓和。 [JZJG5]  图8 各层Y向地震剪力 文献[1]，[2]通过振动台试验也揭示，类似结构在大震下，转换层框架梁与边柱会首先开裂，但裂缝的发展缓慢，最后破坏往往是上一层的梁柱节点出铰后节点剪切破坏。说明经过合理的加强后，薄弱部位往往出现在转换层上层（符合上面的分析）。设计中对于出现的薄弱部位可以做适当加强，本工程在1,2层对建筑影响较小的部位增设了斜撑，加厚了剪力墙；6层加强了被转换柱的延性；3，5层楼面板厚和配筋加强，并满足强柱弱梁；4层加大了与斜撑相连的双向梁断面。 按规范，应加强转换层的板厚度至180，主要是加强其刚度，让楼盖能有效地传递上部结构竖向构件的水平力。虽然斜撑转换结构能高效地引导力流，但这种加强还是必要的。根据上面的分析看到，在小震下3，5层楼面已出现了复杂的拉压应力，这两层的楼板均应按转换层加强板厚、配筋。进一步分析发现在2，4，6层楼板中的地震内力较小；工程中也做了适当加强[JZJG6] ，如厚度做到了150mm，并加强了配筋。 工程转换柱在2层，和梁式转换不同的是，转换柱的柱顶弯矩和绕度很小，仅轴力较大，应控制大震下的轴压比，并防止大震下受拉破坏。工程中为增加延性、减小断面，配了型钢，但型钢不上升到3，4两层，而是和斜撑中的型钢连为整体；3，4两层的框架柱处在一个过渡的阶段，有一定的传递水平力的作用，应该做适当的加强，工程中严格控制轴压比，全长加密了箍筋。 按规范，转换结构应满足转换层上下刚度比的要求。本工程连转换层底部共4层，首先按《高规》^[3]附录E.0.3计算转换层下部结构与上部结构的等效侧向刚度比，算得X向： =1.52；Y向： =1.78，均大于规范限值0.8，说明结构底部刚度较大，应该增强上部过度层的构造和延性。 当考察转换层上下刚度比时，对不同的转换高度有不同的计算要求，本工程在Y向，3，4两层成为刚度很大的加强层（刚性层），转换层上下刚度比应该考察2和5层。新版SATWE中，总信息自动给出了每层的，，，分别为剪切刚度、剪弯刚度和层间剪力比位移。 转换层为底部两层时，按《高规》附录E.0.1计算剪切刚度比，但是仅考虑了剪力墙的剪切变形和框架柱的弯曲变形。 按文献[4]的分析结果：1)当h/b<1时,弯曲变形所占的比例很小,可只考虑剪切变形;2)当h/b>4时,弯曲变形急剧增加,剪切变形所占比例很小,可只考虑弯曲变形;3)当1≤h/b≤4时,弯曲变形和剪切变形均占有相当的比例,计算侧移刚度时,应同时考虑两者的影响，其中h为楼层高，b为剪力墙长度。本工程底部层高6m，上部层高4.2 m，大部分Y向剪力墙长度在3 m以下，用《高规》附录E.0.1来计算剪切刚度比。误差较大，不适宜 、都能准确反映楼层刚度，但中同时包含了楼层无害位移，且随着楼层升高，逐渐增加。考察各层的 /，发现这个值从底部（2层）的11沿楼层逐步变大到顶部（15层）为22，变化的原因主要是随着层数变大，楼层的无害位移所占分量越多，使得相对越小，本工程考察位移比时中间隔了两个楼层，选用误差会更大，应选用。 4           结语 斜撑转换具有良好的建筑效果，能够满足建筑师对大跨度开敞空间的要求；它力学概念清晰，较其他转换形式具有转换效率高的优势；从而能够有效的节约材料，取得良好的经济效益。通过本文的分析，斜撑转换后的结构体系竖向刚度协调，具有良好的抗震性能；所以经过适当的加强和处理，采用斜撑转换能够起到很好的综合效应。

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