桁架转换层在高层建筑结构抗震中的作用

郭杰

摘要：随着高层建筑的迅速发展，建筑功能的要求也日益复杂化，建筑结构常常需要用结构转换层来完成上、下层建筑物结构的转换。桁架转换层因其特殊的优点，使其在工程的运用比较广泛。本文主要从桁架转换层概述；桁架转换层结构的受力分析；桁架转换层在高层建筑结构抗震设计原则以及桁架转换层在高层建筑结构抗震构造要求对桁架转换层进行了探讨分析。

关键词：桁架转换层；高层建筑；抗震；设计原则

引言：随着社会的不断进步，人们对建筑物安全的要求越来越高，尤其是多高层建筑物的安全已日益受到人们的重视。转换层是多高层建筑物承力的关键部位，是保障多高层建筑物安全的关键所在。由于桁架转换层具有较高的抗裂性与承载力，使其在多高层建筑物的施工中得到广泛应用。

一、桁架转换层概述

桁架转换层是由常用的梁式转换层发展而来的。桁架转换层根据其结构不同可分为斜杆桁架转换层、空腹桁架转换层、混合桁架转换层。当来自建筑物上方的荷载较大时，单层的桁架转换无法满足承重的需求。在多高层建筑中，多采用双层或多层桁架转换层结构，也就是叠层桁架。

在托柱形式的梁式转换层中，当很大跨度的转换梁承托较多的层数，由转换梁承托上部框架传递下来的竖向荷载很大而致使截面很大时，可采用桁架转换层，能较好地布置大型管道等设备，并充分利用建筑空间。换桁架主要承受竖向荷载，在满足建筑功能的前提下，通过增大中间节间的跨度或减小端节间的跨度来增大中间弦杆的内力，减小端节间的内力，使弦杆内力分布均匀。

二、桁架转换层结构的受力分析

转换桁架主要用于承受竖向荷载，转换桁架的受力特征主要表现为竖向荷载作用下的受力规律。转换桁架的工作机制可视为由多根截面较大的弦杆（梁）共同承担上部荷载的工作机制，各腹杆改变了竖向荷载的传力方向和位置，起卸载作用。根据桁架腹杆的分布情况的不同，高层建筑转换桁架的结构形式主要有：空腹桁架、斜杆桁架、交叉桁架：但由于转换桁架承受的竖向荷载往往是相当大的，有时上部较高的荷载，单层的转换桁架在计算上无法满足结构要求，此时就必须设置双层或多层的转换桁架结构，即叠层桁架转换体系，当然还包括由于建筑立面美观或结构简化受力的目的而采用的无竖腹杆的交叉斜杆桁架；以及由于桁架受力较大，为更好的保证桁架端部与柱的锚固及减小桁架端部柱的内力，实际工程中往往将桁架体系伸过所要转换跨的下一跨。

三、桁架转换层在高层建筑结构抗震设计原则

1、整体结构按“强转换层及其下部、弱转换层上部”设计。带桁架转换层的结构应按“强化转换层及其下部、弱化转换层上部”的原则，使转换层上下主体结构的侧向刚度尽量接近，平滑过渡。

2、桁架转换层按“强斜腹杆、强节点”设计。将转换桁架置于整体空间结构中进行整体分析。此时，腹杆作为柱单元，上、下弦杆作为梁单元，按空间协同工作或三维空间分析程序计算整体的内力和位移。计算时，转换桁架按实际杆件布置参与整体分析，但上、下弦杆的轴向刚度、弯曲刚度中应计入楼板的作用。整体结构计算需采用两个以上不同力学模型的程序进行抗震计算，还应进行弹性时程分析并宜采用弹塑性时程分析校核。

3、桁架转换层上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”设计。桁架转换层上部框架结构按“强柱弱梁、强边柱弱中柱”的原则，以保证转换层的结构具有较好的延性，确保塑性铰在梁端出现，能够满足工程抗震的要求。

四、桁架转换层在高层建筑结构抗震构造要求

1、转换钢桁架的下弦钢骨混凝土部分后浇使型钢钢骨预先受力。由于桁架下弦为主要受轴向拉力作用的构件，在计算中我们主要以型钢构件输入进行计算，而在实际的设计中为了使下弦杆与周边的梁与板更好的连接，设计人员将下弦枰设计成为以型钢为钢骨的钢骨混凝土。在轴向拉力的作用下，由于钢的极限拉应变远大于混凝土的极限拉应变（钢筋的极限拉应变将达001），为了使型钢钢骨预先受力、混凝土内的裂缝开展较小，设计时采取了下弦杆混凝土后浇的做法。这样，当上部较大荷载作用至转换桁架时，下弦的型钢受到较大的拉力，产生了相当的拉应变，然后在浇筑混凝土时，型钢内增加的拉应力相对有限，大大的减缓了混凝土内裂缝的开展。

2、换桁架的弦杆相邻位置设置边梁使其受力更为合理。如果在布置转换桁架弦杆的二、三、四层的弦杆相邻位置设置一根边梁，保证与桁架相邻的楼面的荷载通过与桁架节点相连的横梁以集中力的形式传递至桁架的节点上，这样可以使转换桁架的弦杆受力特点更与普通的桁架一致，即弦杆的受力形态以轴力為主，尽量减少弦杆受到弯矩作用，特别是平面外弯矩的作用，使转换桁架的受力更为合理。

3、《高层混凝土结构技术规程》规定转换层结构的楼板厚度不宜小于180mm。并配置双层钢筋，而在前面的分析中我们已经知道，当弦杆考虑板的作用时，对转换桁架的受力更为有利。这一方面可以使设计人员在建筑的限定梁高的情况下充分加大弦杆的刚度：另一方面作为转换桁架弦杆平面外稳定最有力的支撑和保障构件，加厚楼板后可以更好的保证桁架弦杆的平面外的稳定。另外，结构的水平力传递主要依靠楼板和转换构件，因此楼板和转换构件都要承受较大的剪力，并且有一个交互和传递的过程，如果转换桁架的弦杆仅有一侧的楼板可以相连，可以加厚与之相连楼板的板厚，这样更好的保证转换桁架上的水平力向转换层楼层平面内转移，使转换层的整体受力更加均匀。

4、高层结构的抗震分析。方法除特殊规定外，建筑结构应进行多遇地震作用下的内力和变形分析，此时，可假定结构与构件处于弹性工作状态，内力和变形分析可采用线性静力方法或线性动力方法。规则且具有明显薄弱部位可能导致地震时严重破坏的建筑结构，应按规范有关规定进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析。此时，可根据结构特点采用静力弹塑性分析或弹塑性时程分析方法。模态分析用于确定设计结构的振动特性，即结构的固有频率与振型，它们是承受动态载荷结构设计中的重要参数。同时，也是后面要进行的谱分析和动力时程分析的前期分析过程。非线性静力分析（pushover）法是一种简化的非线性地震反应评估方法。其基本原理是：在结构分析模型上施加按某种方式分布的荷载（如均匀荷载，倒三角荷载，一阶振型荷载等）模拟地震水平惯性力，并逐级按比例增大，直到结构达到预定的状态（位移超限或位移达到目标位移），然后评估结构的性能。

五、结束语

桁架转换层的出现，不仅使多高层建筑物的功能需求得到满足，同时还使建筑更加美观。在桁架转换层抗震的结构设计中，应对多高层建筑结构的整体进行分析与论证，设计出最佳的施工方案，同时不断总结施工经验，以保证建筑结构的合理、经济、安全。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家标准（GB50011-2001），建筑抗震设计规范.中国建筑工业出版社，2001.

[2] 中华人民共和国行业标准（JGJ3-2002），高层建筑混凝土结构技术规.中国建筑工业出版社2002.

[3] 廖红兵，带高位转换层的高层结构抗震设计及性能分析[d]，重庆大学，2006.

[4] 陈清军，李婷婷.带钢桁架转换层高层结构的抗震性能研究[d]，同济大学，2009.

[5] 赵鸿铁，胡安妮，高层建筑转换层结构形式选择影响因素的统计分析[j].西安建筑科技大学报（自然科学版）.2000.l（6）.