杭州钓鱼台酒店型钢混凝土转换桁架的设计

顾宏达

GU Hongda

(杭州市建筑设计研究院有限公司，浙江 杭州310016)

转换结构构件可以采用转换梁、转换桁架、箱型结构、斜撑等，设计师应根据工程实际情况选择合理的转换结构形式。杭州钓鱼酒店工程转换构件承受的上部荷载较大，且转换构件跨度达24 m，因此我们选用转换桁架作为转换构件。通过三种转换桁架结构方案的对比分析，确定桁架形式，并对这类结构提出一些看法和建议。

1 工程概况

杭州钓鱼台酒店位于杭州市钱江新城CBD 核心区域A11、12 地块。酒店东南沿钱塘江，西侧和南侧环抱森林公园及城市阳台，北临市民中心和杭州大剧院。酒店地面以上由两幢各17 层的塔楼组成，屋面标高74.75 m，两幢塔楼于14 层以上设置4层高的钢结构空中连廊，跨度约为29 m。双塔底部设4 层裙房，其中1～3 层为酒店辅助用房，层高均为4.95 m，4 层为设备转换层，层高为2.15 m。地下4 层，用于酒店后勤、设备用房、汽车库等。

2 转换结构背景

本工程裙房3 层处要求设置1000 m2无柱宴会厅，因此两侧塔楼在3 层处各有3 根主楼的边框架柱不能连续，需要设置结构转换构件。上部两塔楼之间的钢结构连廊以塔楼两侧边框架柱为搁置点，29 m 跨连廊所有荷载均通过塔楼边框架柱传递到转换结构上，转换结构承受的荷载较大，且转换结构跨度达到24 m。因此，本工程的转换结构设计是一个重点和难点，对整个建筑物的安全起着至关重要的作用。若采用普通框支梁作为转换构件，截面非常大，且这种结构受力模式类似深梁，传力途径不明确，则对结构安全不利。我们选定采用转换桁架作为转换构件［1］，来实现本建筑使用功能上的需求，桁架上下弦杆分别设置在4 层和5 层的楼层标高处(图1)，为清楚看到转换结构的情况，裙房的部分框架已隐去，且转换桁架所在的一榀框架也用深色示意。

图1 结构模型示意图

3 转换桁架设计

由于本工程中转换桁架属于特别重要结构构件，因此，我们在设计中将转换桁架抗震等级提高一级，考虑竖向地震作用，并以中震弹性为该构件结构抗震性能设计指标［2］，设计软件主要采用MIDASbuilding 和MIDAS-GEN。在确定了以转换桁架作为转换构件后，我们需要解决桁架的形式、杆件材料以及各构件的具体设计等问题。

3.1 转换桁架形式确定

3.1.1 转换桁架方案一 由于主体结构为混凝土结构，所以转换桁架首先考虑为混凝土结构，即桁架的上下弦杆以及腹杆均采用普通混凝土构件。但是通过建模计算发现，荷载作用下桁架下弦杆及部分受拉腹杆的轴力过大，配钢筋面积非常大，甚至出现了超筋的情况。另外，在普通框架结构的节点区内，通常只有水平方向的梁钢筋和竖直方向的柱钢筋，而在转换桁架节点处还存在桁架腹杆内的纵向钢筋，部分桁架节点存在四个方向的钢筋在同一节点区交错甚至锚固的情况，多向交错(锚固)的钢筋排布使得节点区混凝土浇筑困难，施工质量难以得到保证［3］。

3.1.2 转换桁架方案二 我们尝试采用型钢混凝土桁架，利用型钢来抵抗拉应力［4］。通过对计算结果分析发现，相比混凝土桁架，由于各杆件内的拉力主要由型钢承担，型钢混凝土桁架各构件的配筋量大幅减少。但是，由于构件内型钢的存在，许多钢筋被型钢翼缘板打断，节点区内可供排布钢筋的空间也大幅减小，在钢筋四向交错的节点处，钢筋排布依然很困难。再加上型钢上的加劲肋板、栓钉等布置增加了混凝土浇筑的难度，因此施工质量难以保证的问题依然存在。

3.1.3 转换桁架方案三 前两种方案都存在节点区钢筋排布困难，施工质量难以保证的问题，主要原因是桁架结构中无法避免部分节点存在多个方向构件相交的情况，这些节点区内多向钢筋交错导致混凝土浇捣困难。因此，笔者对型钢混凝土桁架作了一些调整:上下弦杆仍采用型钢混凝土构件，以方便与桁架上下混凝土构件及同层混凝土梁板的连接;所有腹杆均采用钢构件，从而达到减少节点区钢筋量的目的。桁架形式以及各构件截面的选用见图2。这样，在节点区的桁架平面内就只有上下弦杆内一个方向的钢筋，可避开节点区的型钢及加劲肋板。由于节点处的钢筋用量降低，设计中只需要在部分加劲肋板上预留孔洞，节点区的混凝土浇筑就会变得相对容易，进而达到降低施工难度，确保施工质量的目的。

图2 桁架布置图

根据上述确定的桁架形式及杆件截面，通过计算分析发现，上下弦杆中最不利位置是下弦杆跨中截面，该截面处于小偏拉状态，拉力和弯矩依靠型钢和钢筋来共同承担;腹杆中，应力比最大的杆件为4 号腹杆，其应力比达到了0.8，而其他腹杆的应力比均较小，这样的结果基本能够满足设计要求。因此，笔者认为方案三是一个较合理的结构设计方案。

3.2 型钢混凝土桁架杆件截面验算

在确定桁架的形式后，需要对各杆件进行截面设计。根据计算结果可以判断，转换桁架各构件均处于压弯或者拉弯状态，其中钢腹杆可依据《钢结构设计规范(GB 50017—2003)》中压弯构件和拉弯构件的设计公式进行验算，上下弦杆中的压弯构件可参照《型钢混凝土组合结构技术规程(JGJ 138—2001)》中型钢混凝土框架柱的截面设计方法进行设计，但对于上下弦杆中的拉弯构件，规范中没有提供相关的设计依据，需要我们自行对这类构件进行分析。

桁架下弦杆跨中处为拉力最大的部位，拉力为17398 kN，弯矩为1882 kN·m，计算可知偏心距为108 mm，而下弦杆截面高度为1000 mm，因此下弦杆构件全截面受拉，处于小偏拉状态。

在设计中，我们假定混凝土的抗拉强度为零，所以小偏拉型钢混凝土构件的拉力和弯矩完全依靠型钢和钢筋来承担，假设受拉区和受压区的配筋面积相同，即As= A's，根据钢结构设计规范中的拉弯构件计算公式，考虑钢筋与型钢共同作用，笔者推导出了型钢混凝土小偏拉构件计算的近似公式

式中:N 为计算截面的轴力;

Mx为计算截面的弯矩;

An为型钢净截面面积;

As和A's分别为受拉区和受压区钢筋截面面积;

f 为型钢强度设计值;

fy为钢筋强度设计值;

γx为型钢截面相应的截面塑性发展系数;

Wnx为型钢的净截面模量;

h0为截面有效高度;

as为受压区的保护层厚度。

根据上述公式对型钢混凝土拉弯构件进行截面设计，以确保整个结构的安全性。

4 结构加强措施

本工程中转换桁架属于特别重要的结构构件，在计算中我们对其考虑竖向地震作用，并以中震弹性为结构抗震性能设计指标进行设计，同时在结构抗震构造措施及材料性能方面也采取了一定的措施。

首先，对转换桁架本身提高一级采取抗震构造措施，转换桁架上下弦杆按《高层建筑混凝土结构技术规程(JGJ 3—2010)》中转换梁的构造要求进行加强，控制上、下部纵向钢筋配筋率不小于0.4%，配箍率不小于1.1ft/fyv，箍筋沿梁全长加密，并设置一定数量的拉筋，以提高型钢混凝土构件的整体性。

其次，对与转换桁架上下弦杆相连的楼板进行加强，增加这些楼板的板厚和配筋率，提高结构的整体刚度，以加强转换桁架的抗震性能。

另外，由于转换桁架的腹杆以及上下弦杆内的型钢板件均较厚，在钢材的选用上我们要求均采用Z 向钢Q345GJZ，质量等级为C 级，其Z 向性能应达到Z15 级，防止钢材发生层状撕裂。转换桁架上下弦杆、腹杆及加劲板之间的连接焊缝均采用全熔透一级焊缝，以保证焊缝的强度和质量。

5 结 语

杭州钓鱼台酒店存在转换层、连体和多塔等多种设计难点并存的情况，属于多重复杂建筑，转换结构所传递的上部荷载较大，它的安全性对整个建筑物有着极其重要的意义，通过对其进行详细研究和计算分析，得到如下结论:

(1)当转换结构跨度较大且承受较大荷载时，可以采用转换桁架来传递上部荷载，使得结构传力途径明确，计算结果可靠，以提高结构安全性能。

(2)对转换桁架来说，部分腹杆和弦杆会处于受拉的状态，由于混凝土抗拉性能较差，宜在构件中适当加入型钢，加强各构件的抗拉性能。另外，多向交叉的桁架节点区内钢筋布置和混凝土浇筑都会比较困难，应该考虑合理的桁架形式来减少这些施工难度，确保施工质量。本工程采用的方法是上下弦杆采用型钢混凝土构件，而各腹杆采用钢构件，这样既保证了桁架与上下层竖向结构及本层梁板结构的可靠连接，也减小了施工难度，施工质量容易保证。

(3)型钢混凝土拉弯构件的设计方法规范中没有明确说明，本文提出的近似计算公式(1)可对小偏拉构件进行配筋计算。

(4)对于转换桁架这样的重要构件，除了在计算和设计过程中采取一定手段保证结构安全性外，还应从构造措施、结构材料选用及施工质量要求等方面进行优化，来提高结构的可靠度。

［1]张涛，毛仁兴，黄卓，等.深圳现代商务大厦桁架转换层结构设计［J］.建筑结构，2008(8):30 -33.

［2]戴国亮，蒋永生，傅传国，等.高层型钢混凝土底部大空间转换层结构性能研究［J］.土木工程学报，2003(4):24 -32.

［3]陈丽华，李爱群，赵玲. 型钢混凝土梁柱节点的研究现状［J］.工业建筑，2005(1):56 -58.

［4]汪大绥，周建龙.我国高层建筑钢-混凝土混合结构发展与展望［J］.建筑结构学报，2010(6):62 -70.