空腹桁架转换结构在高层建筑中的应用

吴文涛

【摘要】本文采用PKPM软件对整体结构进行了小震弹性时程分析（EDA），采用Midas软件对整体结构进行了大震静力弹塑性时程分析（PUSH-OVER）；采用Midas软件对转换构件进行了有限元分析。参数计算结果表明，整体结构空间工作性状良好，能够满足底部大跨度和工程抗震要求。可供工程设计参考。

【关键词】空腹桁架 箱形梁 转换层

1空腹桁架转换结构的结构型式及适用条件

1.1 结构型式

空腹桁架国外称维式桁架（Vierendeel truss or open-web truss），由上弦杆、下弦杆及直腹杆组成，受荷时以弯曲变形为主，同时还具有桁架的受力特性。空腹桁架转换结构与桁架式转换结构优点相似，具有受力合理的特点，但桁架式转换结构具有斜撑杆，而空腹桁架转换结构的杆件都是水平、垂直的。因此，空腹桁架转换结构在室内空间利用上比桁架式转换结构、箱式转换结构优良。

1.2使用条件

空腹桁架转换结构通常用于：非抗震设防的多、高层建筑。六度、七度和八度抗震设防的多、高层建筑。九度抗震设计时，因带转换层的高层建筑结构在竖向荷载、水平荷载作用下受力复杂，且缺乏研究和工程实践经验，故不宜采用。此外，空腹桁架转换结构还适用于要求较大室内使用空间和较大跨度转换的多、高层建筑。

在传统的高层部分框支剪力墙结构中，水平转换构件采用托梁的形式最多。有的住宅建筑在上部剪力墙下有设备层时，需要做成箱形梁形式转换层，该层主要用作上部竖向给排水通风管道的水平转换及其它设施功能房间，由于下部商业用房要求顶板下无水平的排污管道，因为一旦爆裂将引起商业用房的灾难后果，因此，采用箱形梁是合理的。但是为了避免箱形实腹梁的刚度和重量过大，同时也为了尽量避免框支柱顶先于框支梁产生柱铰，根据多种资料记载，在箱形梁腹中开适当的洞口，使箱形实腹梁转化成直腹桁架形式转换构件，其柱端的塑性铰就可先行转移至桁架的上、下弦杆端，从而满足“强柱弱梁”，对结构抗震有利。

2. 工程概况

本项目位于上海市区，由3座18层住宅楼和1座17层办公楼及3～6层商业裙房组成，设3层整体地下室，其中2号住宅楼地面以上1～3层为商场，建筑平面宽40m，长60m，转换层位于第4层，4层以上为住宅，建筑平面呈T形，长42m，宽16m，地上18层，高59.4m。本工程采用部分框支剪力墙结构，抗震设防烈度7度，设计地震分组第一组，场地类别IV类，场地特征周期0.90s，框支框架和落地剪力墙抗震等级为一级，转换层以上一般剪力墙为三级。抗震设防分类为丙类建筑，转换层及标准层和剖面简图见图1～3。

图1上部剪力墙标准层平面图

图2直腹桁架转换层平面图

图3单榀桁架立面图

3. 计算分析结果

由于竖向构件不连续，平面和立面均为特别不规则，且有扭转不规则，此工程是高位转换的复杂高层建筑。因此，采用SATWE和PMSAP两种软件分别计算，并补充Midas软件对结构進行静力弹塑性时程分析和对转换桁架进行应力分析。

3.1转换梁上、下弦加强措施

指定转换层以下为薄弱层，考虑双向地震和偶然偏心，框支柱剪力采用0.3Q0调整。对一级抗震的水平转换构件地震作用内力乘以1.5的增大系数，水平转换构件顶板和底板厚度180，根据“高规”10.2.8条框支梁设计剪力应符合V≤（0.15fcbho）/rRE，由于转换层为设备层，考虑以后使用方便，同时降低箱型梁的侧向刚度，每根梁至少两个洞口，每个房间都有洞口，方便以后设备安装和检修，由于洞口位置需尽量跨中，避开支座，部分上部剪力墙落在了洞口上面，上、下弦（即开洞口处）多处剪力不满足该要求，对此采取了以下应对措施：1、将转换构件砼强度提高至C60；2、洞口四角加腋；3、上、下弦内加型钢，做成劲性梁；4、加强洞口上部剪力墙连梁及边上小墙肢配筋，采用上述措施后满足弦杆的剪压比要求。

3.2采用SATWE和PMSAP两种软件计算结果

两个程序振动周期如下表，扭转周期和有效质量系数满足要求：

根据高规4.3.4条规定，采用SATWE程序进行弹性时程分析补充计算，对反应谱法（CQC法）结果进行校核。多遇地震作用下弹性时程分析，加速度时程最大值为35gal。

4. 结论

空腹桁架转换构件属于超静定结构，有塑性内力重分布并且在水平荷载作用下变形分散。因此，在一定程度上提高了耗能能力，使得空腹桁架转换结构的抗震性能要优于梁式转换结构。在荷载作用下，由上文可知空腹桁架具有受力均匀、传力明确、抗侧刚度较好、结构设计合理、抗震性能较好等优点，这使得空腹桁架转换结构在实际工程中得到广泛应用。

参考文献

[1] 徐培福，傅学怡，王翠坤，肖从真 . 复杂高层建筑结构设计 [M] 中国建筑工业出版社，2005.

[2] 张誉，赵鸣，方健，等 . 空腹桁架式结构转换层的实验研究 [J]. 建筑结构，1999，20（6）.