綠建大廈斜撐轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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1   工程概況 江蘇綠建大廈(圖1)位于國(guó)際服務(wù)外包產(chǎn)業(yè)園西北角。建筑地上部分16層，底部?jī)蓪訉痈?.0m，標(biāo)準(zhǔn)層層高均為4.2m，建筑總高度67.8m（指室外地面至主要屋面）。1層（局部架空）為門(mén)廳和接待用房，2層為碳交易大廳，3層及以上為標(biāo)準(zhǔn)辦公空間。1層北側(cè)通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)堆坡，覆土形成種植景觀。地下3層，局部比上部主樓擴(kuò)出[JZJG1] 上部結(jié)構(gòu)1至2跨，設(shè)置設(shè)備用房、地下車(chē)庫(kù)、人防等。 [JZJG2]  圖1 江蘇綠建大廈效果圖 抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，場(chǎng)地土類別III類，設(shè)計(jì)特征周期0.45s。雪荷載：基本雪壓S₀=0.65kN/m²（50年一遇），風(fēng)荷載：按100年一遇（60m以上）為0.45kN/m²。地面粗糙度類別B類。 地下2層頂板作為嵌固端，地上部分利用建筑平面南北兩個(gè)電梯井適當(dāng)布置剪力墻，形成框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系；抗震等級(jí)框架二級(jí)、剪力墻二級(jí)，典型柱網(wǎng)8.4 m×8.1m，8.4 m×6.6m。 [JZJG3]  圖2標(biāo)準(zhǔn)層平面 建筑底部?jī)蓪又胁繛樾纬砷_(kāi)敞的大空間，有三根框架柱不落地，要求結(jié)構(gòu)進(jìn)行轉(zhuǎn)換(圖2)。對(duì)于抬柱轉(zhuǎn)換，因?yàn)樯舷聦觿偠炔粫?huì)有突變，在框架結(jié)構(gòu)中可以用梁式轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換梁傳力直接，轉(zhuǎn)換層附近結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度變化均勻。但當(dāng)荷載較大時(shí)，轉(zhuǎn)換梁正應(yīng)力、剪應(yīng)力較大，受力復(fù)雜，為了保證一定的安全儲(chǔ)備，通常斷面較大。以本工程而言，三榀轉(zhuǎn)換梁跨度均為16.8m，經(jīng)試算，斷面要達(dá)到900 mm×2600mm（C40，計(jì)算配筋率2%），這么大的梁在常規(guī)斷面的結(jié)構(gòu)中是很難融入的，同時(shí)也帶來(lái)了較大的質(zhì)量，給施工和建筑使用帶來(lái)了不便。同時(shí)建筑要求4層樓面開(kāi)大洞，對(duì)轉(zhuǎn)換層受力不利，所以本工程必需找到一種更加高效的轉(zhuǎn)換方式。 2  斜撐轉(zhuǎn)換及其特點(diǎn) 根據(jù)工程特點(diǎn)，最后采用穿越3,4兩層的人字形斜撐轉(zhuǎn)換，如圖3所示。為減小斜撐斷面，增加延性，斜撐及下承柱做成型鋼混凝土，并提高抗震等級(jí)。斜撐是符合建筑使用要求的，在建筑內(nèi)部4層樓面中部開(kāi)有大洞，從而可以看到整個(gè)斜撐，充滿了力度感，同時(shí)給建筑帶來(lái)樂(lè)于接受的開(kāi)敞空間(圖3)。我們?cè)谄渌恍┕こ讨幸捕啻问褂眯睋无D(zhuǎn)換，通常建筑師對(duì)斜撐的存在總是樂(lè)于接受的。 圖3結(jié)構(gòu)計(jì)算模型 在國(guó)內(nèi)已建工程中已經(jīng)有很多采用了斜撐轉(zhuǎn)換，如：綏芬河海關(guān)業(yè)務(wù)技術(shù)綜合樓、武漢世貿(mào)中心、珠海信息大廈工程、沈陽(yáng)華麗廣場(chǎng)、華敏帝豪大廈等，在這些工程中，最常見(jiàn)的斜撐轉(zhuǎn)換主要用在外框柱。相對(duì)而言本工程的斜撐轉(zhuǎn)換體量大、跨度大，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)體系影響較大，擬就本工程研究斜撐轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。 工程中常用的轉(zhuǎn)換形式有梁式、桁架、空腹桁架等，如圖4所示。從力學(xué)上來(lái)分析，令為轉(zhuǎn)換上部荷載所需要的卸載長(zhǎng)度，見(jiàn)圖4，在四種常見(jiàn)的轉(zhuǎn)換手法中，斜撐轉(zhuǎn)換具有最長(zhǎng)的卸載長(zhǎng)度，同時(shí)對(duì)于力流有較好的引導(dǎo)作用。 圖4標(biāo)準(zhǔn)層平面 所謂力流是應(yīng)力沿著桿件（或其他受力實(shí)體）傳播的流線，桿件的布置其實(shí)就是對(duì)力流的導(dǎo)向，就像河流的堤岸對(duì)水流的導(dǎo)向一樣，如圖4中桁架、空腹桁架等兩種桁架轉(zhuǎn)換形式實(shí)際上是微觀上對(duì)第一種梁式轉(zhuǎn)換的力流導(dǎo)向的優(yōu)化，它們都有各自不可取代的優(yōu)點(diǎn)。 豎向構(gòu)件的轉(zhuǎn)換，實(shí)際上是對(duì)力的傳遞，為了力得以傳遞，變形必然隨之而發(fā)生。高效的力流體系總是首先產(chǎn)生最直接的變形，如桿件的壓縮、拉伸，如膜的張緊等，從而能夠使力流的導(dǎo)向明確，使傳力途徑短而直接，能充分利用材料的力學(xué)優(yōu)勢(shì)，節(jié)省材料。本工程斜撐斷面僅600 mm×800mm，內(nèi)配型鋼H400×250×20×25，尚小于被轉(zhuǎn)換柱的斷面700 mm×900mm。不僅節(jié)約了材料，也節(jié)約了大量的人力、物力，相比梁式轉(zhuǎn)換，總的節(jié)約約在30%左右，具有良好的經(jīng)濟(jì)效果。 同時(shí)力流的導(dǎo)向，還應(yīng)該考慮到力流傳遞后的幾何效應(yīng)，一個(gè)優(yōu)秀的例子是上海東方明珠電視塔，結(jié)構(gòu)的下部有更大的抗彎模量，斜撐轉(zhuǎn)換也有這個(gè)特點(diǎn)。 本工程中⑦軸上被轉(zhuǎn)換的柱不在轉(zhuǎn)換柱的連線上，所以⑥，⑦軸的斜撐與Z軸間有5°的外傾夾角，這榀斜撐如同圖5中兩種結(jié)構(gòu)的組合，這個(gè)傾斜在5層樓面產(chǎn)生了拉力，拉力。這個(gè)力不大，經(jīng)計(jì)算普通混凝土梁正常配筋裂縫就能解決，設(shè)計(jì)中加強(qiáng)了構(gòu)造措施。5°的夾角雖然不大，卻幫建筑解決了問(wèn)題，這是其他轉(zhuǎn)換形式不容易做到的，體現(xiàn)了斜撐轉(zhuǎn)換的靈活性。 圖5  ⑥，⑦軸的斜撐分析 表1是通過(guò)梁式轉(zhuǎn)換和斜撐轉(zhuǎn)換的整體計(jì)算結(jié)果對(duì)比。從表1可以看出，斜撐轉(zhuǎn)換最為明顯的變化在轉(zhuǎn)換柱頂?shù)膹澗卮蠓鶞p少，僅為梁式轉(zhuǎn)換時(shí)的20%，這是由于斜撐轉(zhuǎn)換力學(xué)概念清晰，傳力更加直接。 梁式轉(zhuǎn)換和斜撐轉(zhuǎn)換的整體計(jì)算結(jié)果對(duì)比    表1

轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換構(gòu)件 尺寸/mm T₁/s T_t/T₁ 轉(zhuǎn)換層質(zhì)量/kN 轉(zhuǎn)換層Y向 剛度/（kN/m） 轉(zhuǎn)換層地震力/kN 跨中恒載Z向位移/mm 轉(zhuǎn)換柱恒加活 彎矩/(kN.m) 梁式 900×2600 2.27 0.78 2156 1.91×10⁶ 856 15.8 2714 斜撐 600×800 2.11 0.81 1892 2.80×10⁶ 799 10.14 567

  斜撐轉(zhuǎn)換的另一個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)是豎向剛度大，它的變形完全是由桿件的軸向壓縮產(chǎn)生的。工程中在自重作用下，三榀斜撐頂?shù)钠骄?i>Z向位移12mm，僅比周邊非轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)多出2mm，僅是梁式轉(zhuǎn)換的50%左右，避免了上部結(jié)構(gòu)因?yàn)樨Q向變形差異產(chǎn)生次內(nèi)力，這對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì)都是常有利的。在工程中采用斜撐轉(zhuǎn)換，取得了良好的建筑效果，避免了一個(gè)自重很大的轉(zhuǎn)換層，有利于抗震。同時(shí)斜撐轉(zhuǎn)換因?yàn)樽灾剌p、力流合理，除使其下部3層梁受拉外，對(duì)周邊的結(jié)構(gòu)影響很小，容易控制，也便于周邊結(jié)構(gòu)的布置（比如四層樓面中部開(kāi)有大洞）.斜撐對(duì)于下部的轉(zhuǎn)換柱沒(méi)有產(chǎn)生很大的彎矩、剪力，本工程轉(zhuǎn)換層柱均未出現(xiàn)短柱，控制軸壓比0.7，配筋接近構(gòu)造。 3  斜撐轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)要點(diǎn)討論 通過(guò)對(duì)X，Y雙向地震工況下幾榀框架的內(nèi)力分析，并與無(wú)轉(zhuǎn)換的情況的對(duì)比可以看到，在Y向地震（斜撐平面內(nèi)）下，斜撐承擔(dān)了絕大部分的地震剪力（110%左右），表現(xiàn)在一對(duì)斜撐中出現(xiàn)了巨大的拉壓力；3，4兩層中框架柱幾乎不承擔(dān)水平地震力，樓層剪切變形可以忽略；在剪力墻中由于變形模式的改變，反而出現(xiàn)了反向的剪力，約占樓層剪力10%左右； 5層柱底彎矩比無(wú)轉(zhuǎn)換的情況都有所放大，斜撐頂很像上部的柱嵌固處，3，4兩層柱上下彎矩都很小，僅為附近樓層柱彎矩的1/10~1/7，沒(méi)有明顯的分布規(guī)律；5層柱底彎矩基本由4層的Y向梁平衡；在斜撐頂人字斜撐和Y向梁共同平衡了上柱底彎矩，斜撐負(fù)擔(dān)的約為梁的2/5；斜撐中的彎矩在3層底和4層頂基本相同，在3層頂和4層底接近為零。 在X向地震下，整個(gè)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)和非轉(zhuǎn)換框架基本一致，斜撐平面外的作用類似框架柱，斜撐彎矩基本與上層框架柱彎矩相當(dāng)，稍弱于框架柱；斜撐中均勻的分擔(dān)上部柱50%的地震剪力。 另外在雙向地震作用下均有部分樓層地震剪力通過(guò)5層樓面?zhèn)鬟f到周邊豎向結(jié)構(gòu)；在小震下這部分力不是很大，引起的樓板應(yīng)力也不大（圖6）；而在3層樓面中，更明顯的樓板內(nèi)力出現(xiàn)在Y向地震作用下，此時(shí)斜撐中巨大的內(nèi)力在水平向按下層豎向構(gòu)件的剛度重新分配，3層樓板將起到傳遞內(nèi)力的作用。 斜撐穿過(guò)3，4層，4層梁的斷面與斜撐相當(dāng)，可以保證對(duì)斜撐有足夠的雙向約束。為了分析4層梁的作用，計(jì)算中讓斜撐和4層梁完全脫開(kāi)，此時(shí)在X向地震時(shí)，斜撐僅能傳遞上部15%的地震剪力，平面外彎矩也僅相當(dāng)于與上層框架柱彎矩的30%；同時(shí)5層樓面的應(yīng)力也有略微放大；斜撐計(jì)算長(zhǎng)度變大后配筋明顯增加。計(jì)算表明4層梁的存在對(duì)斜撐平面外有較大影響，能有效改善結(jié)構(gòu)的受力特性，而對(duì)斜撐平面內(nèi)沒(méi)有明顯影響。 （a）5層Y向地震 （b）5層X向地震 （c）3層Y向地震 圖6水平地震下樓板內(nèi)主應(yīng)力S1[JZJG4] （kN/m²） 斜桿在水平荷載下會(huì)有巨大拉壓力出現(xiàn)，所以在工程中應(yīng)以大震下斜撐桿不被壓潰，節(jié)點(diǎn)不破壞作為設(shè)計(jì)要點(diǎn)。工程中，地震力和重力代表值疊加工況下，中震時(shí)斜撐即出現(xiàn)較小的拉應(yīng)力，在罕遇地震下拉力達(dá)到2700kN以上，斜撐中設(shè)置了型鋼，控制了大震下斜撐軸壓比，加強(qiáng)了斜撐頂部節(jié)點(diǎn)和相關(guān)構(gòu)件的連接，見(jiàn)圖7，保證了重要構(gòu)件及相關(guān)節(jié)點(diǎn)即使遭遇罕遇地震，不首先破壞。 斜撐轉(zhuǎn)換下弦桿（3層梁）受拉，拉力是斜撐的水平分量，所以首先應(yīng)該合理控制斜撐和樓面的夾角，即控制圖4中的，結(jié)構(gòu)師應(yīng)該和建筑師共同協(xié)商將夾角控制在45°以上。在SATWE計(jì)算中，要算出這個(gè)拉力，需采用彈性板，彈性板會(huì)合理地分擔(dān)一部分拉力，可以將板減薄或掏空計(jì)算以增加安全富余。4層梁雖然與斜撐連接，但計(jì)算表明其拉力很小，可以不做加強(qiáng)。根據(jù)上節(jié)的分析，4層梁作為斜撐的側(cè)向支撐，減小了計(jì)算長(zhǎng)度，對(duì)結(jié)構(gòu)安全是有利的。 圖7斜撐頂部的型鋼節(jié)點(diǎn)   對(duì)受拉梁可以設(shè)預(yù)應(yīng)力或配置型鋼，工程中梁中控制軸力（拉力）3000kN左右，在大震下增加不多，在梁內(nèi)設(shè)置了有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力，并要求非預(yù)應(yīng)力筋焊接貫通。預(yù)應(yīng)力張拉應(yīng)控制時(shí)機(jī)，過(guò)早次應(yīng)力大，太晚了不能及時(shí)抑制梁的開(kāi)裂。預(yù)應(yīng)力筋的用量應(yīng)控制長(zhǎng)期工作狀態(tài)下的裂縫寬度，防止拉桿剛度的退化可能對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)帶來(lái)不利的影響。 由于斜撐受力復(fù)雜，節(jié)點(diǎn)一般加強(qiáng)加大做成剛接，與節(jié)點(diǎn)相連的梁斷面宜加大，以保證鋼筋的有效錨固，同時(shí)也有利于增加結(jié)構(gòu)富裕度，防止意外情況下結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌。設(shè)計(jì)時(shí)宜采取鉸接和剛接的包絡(luò)設(shè)計(jì)以保障結(jié)構(gòu)在大震開(kāi)裂后的結(jié)構(gòu)安全。 工程中斜撐跨度大(占建筑平面長(zhǎng)度近1/3)，體量大(穿越兩層)，帶來(lái)了極大的剛度，斜撐所在的3，4兩層Y向抗側(cè)剛度（地震剪力與地震層間位移的比）比不用斜撐（梁式轉(zhuǎn)換）時(shí)增大了115%，從而使2層形成了軟弱層；Y向抗剪承載力比不用斜撐時(shí)增大了60%，從而使2層形成了薄弱層。 經(jīng)過(guò)分析斜撐雖引起樓層剛度突變，但并沒(méi)有吸收過(guò)多的地震力，而先行破壞。 工程斜撐體量大且均布置在Y向，使得3，4兩層剛度放大了1倍以上，但結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果表明，雙向的抗側(cè)剛度基本接近，前兩個(gè)平動(dòng)周期分別為2.11和2.01s。設(shè)計(jì)中分析了樓層的水平地震力，見(jiàn)圖8，其中樓層質(zhì)量為樓層重力代表值，樓層號(hào)為模型中的序列，6，7兩層為斜撐所在層，為了方便對(duì)比，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比例處理?？梢钥吹诫m然因?yàn)樵O(shè)置了斜撐，6，7兩層的剛度放大很多，但小震和大震下Y向各層樓層地震剪力數(shù)值沒(méi)有突變，非常緩和。 [JZJG5]  圖8 各層Y向地震剪力 文獻(xiàn)[1]，[2]通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)也揭示，類似結(jié)構(gòu)在大震下，轉(zhuǎn)換層框架梁與邊柱會(huì)首先開(kāi)裂，但裂縫的發(fā)展緩慢，最后破壞往往是上一層的梁柱節(jié)點(diǎn)出鉸后節(jié)點(diǎn)剪切破壞。說(shuō)明經(jīng)過(guò)合理的加強(qiáng)后，薄弱部位往往出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換層上層（符合上面的分析）。設(shè)計(jì)中對(duì)于出現(xiàn)的薄弱部位可以做適當(dāng)加強(qiáng)，本工程在1,2層對(duì)建筑影響較小的部位增設(shè)了斜撐，加厚了剪力墻；6層加強(qiáng)了被轉(zhuǎn)換柱的延性；3，5層樓面板厚和配筋加強(qiáng)，并滿足強(qiáng)柱弱梁；4層加大了與斜撐相連的雙向梁斷面。 按規(guī)范，應(yīng)加強(qiáng)轉(zhuǎn)換層的板厚度至180，主要是加強(qiáng)其剛度，讓樓蓋能有效地傳遞上部結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件的水平力。雖然斜撐轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)能高效地引導(dǎo)力流，但這種加強(qiáng)還是必要的。根據(jù)上面的分析看到，在小震下3，5層樓面已出現(xiàn)了復(fù)雜的拉壓應(yīng)力，這兩層的樓板均應(yīng)按轉(zhuǎn)換層加強(qiáng)板厚、配筋。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)在2，4，6層樓板中的地震內(nèi)力較小；工程中也做了適當(dāng)加強(qiáng)[JZJG6] ，如厚度做到了150mm，并加強(qiáng)了配筋。 工程轉(zhuǎn)換柱在2層，和梁式轉(zhuǎn)換不同的是，轉(zhuǎn)換柱的柱頂彎矩和繞度很小，僅軸力較大，應(yīng)控制大震下的軸壓比，并防止大震下受拉破壞。工程中為增加延性、減小斷面，配了型鋼，但型鋼不上升到3，4兩層，而是和斜撐中的型鋼連為整體；3，4兩層的框架柱處在一個(gè)過(guò)渡的階段，有一定的傳遞水平力的作用，應(yīng)該做適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)，工程中嚴(yán)格控制軸壓比，全長(zhǎng)加密了箍筋。 按規(guī)范，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足轉(zhuǎn)換層上下剛度比的要求。本工程連轉(zhuǎn)換層底部共4層，首先按《高規(guī)》^[3]附錄E.0.3計(jì)算轉(zhuǎn)換層下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的等效側(cè)向剛度比，算得X向： =1.52；Y向： =1.78，均大于規(guī)范限值0.8，說(shuō)明結(jié)構(gòu)底部剛度較大，應(yīng)該增強(qiáng)上部過(guò)度層的構(gòu)造和延性。 當(dāng)考察轉(zhuǎn)換層上下剛度比時(shí)，對(duì)不同的轉(zhuǎn)換高度有不同的計(jì)算要求，本工程在Y向，3，4兩層成為剛度很大的加強(qiáng)層（剛性層），轉(zhuǎn)換層上下剛度比應(yīng)該考察2和5層。新版SATWE中，總信息自動(dòng)給出了每層的，，，分別為剪切剛度、剪彎剛度和層間剪力比位移。 轉(zhuǎn)換層為底部?jī)蓪訒r(shí)，按《高規(guī)》附錄E.0.1計(jì)算剪切剛度比，但是僅考慮了剪力墻的剪切變形和框架柱的彎曲變形。 按文獻(xiàn)[4]的分析結(jié)果：1)當(dāng)h/b<1時(shí),彎曲變形所占的比例很小,可只考慮剪切變形;2)當(dāng)h/b>4時(shí),彎曲變形急劇增加,剪切變形所占比例很小,可只考慮彎曲變形;3)當(dāng)1≤h/b≤4時(shí),彎曲變形和剪切變形均占有相當(dāng)?shù)谋壤?計(jì)算側(cè)移剛度時(shí),應(yīng)同時(shí)考慮兩者的影響，其中h為樓層高，b為剪力墻長(zhǎng)度。本工程底部層高6m，上部層高4.2 m，大部分Y向剪力墻長(zhǎng)度在3 m以下，用《高規(guī)》附錄E.0.1來(lái)計(jì)算剪切剛度比。誤差較大，不適宜 、都能準(zhǔn)確反映樓層剛度，但中同時(shí)包含了樓層無(wú)害位移，且隨著樓層升高，逐漸增加?？疾旄鲗拥?span style="position: relative; top: 6pt"> /，發(fā)現(xiàn)這個(gè)值從底部（2層）的11沿樓層逐步變大到頂部（15層）為22，變化的原因主要是隨著層數(shù)變大，樓層的無(wú)害位移所占分量越多，使得相對(duì)越小，本工程考察位移比時(shí)中間隔了兩個(gè)樓層，選用誤差會(huì)更大，應(yīng)選用。 4           結(jié)語(yǔ) 斜撐轉(zhuǎn)換具有良好的建筑效果，能夠滿足建筑師對(duì)大跨度開(kāi)敞空間的要求；它力學(xué)概念清晰，較其他轉(zhuǎn)換形式具有轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)勢(shì)；從而能夠有效的節(jié)約材料，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)本文的分析，斜撐轉(zhuǎn)換后的結(jié)構(gòu)體系豎向剛度協(xié)調(diào)，具有良好的抗震性能；所以經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)和處理，采用斜撐轉(zhuǎn)換能夠起到很好的綜合效應(yīng)。

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