型钢混凝土桁架在转换结构中的应用

文/黄永存、郭春艳 吉林省建苑设计集团有限公司 吉林 长春 130011

型钢混凝土桁架在转换结构中的应用

文/黄永存、郭春艳 吉林省建苑设计集团有限公司 吉林 长春 130011

本工程为地下1层，地上19层，地上第5层为结构转换层。转换结构采用型钢混凝土桁架，其轴线跨度为27.0m。型钢混凝土桁架转换结构可以显著缓和高层建筑质量和刚度的突变。转换桁架构件为型钢混凝土结构构件，充分发挥了型钢与钢筋混凝土结构各自的力学特性，型钢外包钢筋混凝土，可避免型钢过早出现局部屈曲或整体失稳，并具有耐火性好、节省钢材的优点；在混凝土中增加型钢，具有承载力大、抗震性能好等优点。型钢混凝土桁架适用于跨度较大、承托层数较多的拖柱转换结构，经济适用、安全可靠。

转换桁架；型钢混凝土；刚度突变；刚度平衡支撑

1　工程概况

本工程为地下1层，地上19层的高层办公楼。建筑结构高度为99.90m，结构形式为框架-剪力墙结构。建筑结构的抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，抗震设防类别为标准设防类（丙类），框架和剪力墙的抗震等级为三级。建筑平面如图1～3，转换部位建筑剖面图如图4。一～四层平面中部为共享大厅，中庭在一～四层不能布置柱，需要在第五层做转换层结构，承托五层以上的两根柱，承托层数为14层。转换层结构采用型钢混凝土桁架，轴线跨度为27.0m，桁架高度为第5层层高，桁架总高度为6.10m。剪力墙平面布置均匀、对称，而转换桁架位于转换层平面一侧，属于偏置，转换层平面扭转效应比较明显。在与转换桁架相对于剪力墙对称的位置布置了平面刚度平衡支撑，有效减缓了转换层的平面扭转效应。

图1　一～四层平面图

图2　五层（转换层）平面图

图3　六层以上平面图

图4　剖面示意图

2　转换层结构形式

本工程中的转换形式属于托柱转换。目前，常用的托柱转换结构形式主要有实腹梁式转换和桁架转换。实腹梁式转换层结构是目前建筑结构中实现垂直转换最常用的结构形式，由于其传力途径采用“柱-转换梁-柱（墙）”的形式，具有传力直接、明确的优点，便于工程计算、分析和设计。实腹梁式转换的形式有多种，从跨数上，可分为单跨及多跨；从上部结构形式上，可分为托墙和托柱；从转换梁结构采用材料上，又可分为钢筋混凝土（R.C）、预应力混凝土（P.C）和钢骨混凝土（型钢混凝土S.R.C）、钢结构（S）。在托柱形式的梁式转换结构中，当转换梁跨度很大、承托层数较多时，由于转换梁承托上部框架柱传递下来的竖向荷载将会很大，使得转换梁的截面尺寸大，配筋多，梁柱节点区纵向受力钢筋锚固困难。大跨度、承托层数较多的实腹转换梁在理论上可以实现，但实际设计中却不可行。首先，采用实腹转换梁不利于大型管道等设备系统的布置，不利于该转换层建筑空间的充分利用；其次，实腹梁转换构件截面尺寸大、自重大、刚度比较大，转换梁对转换层平面的刚度影响比较明显。当转换梁偏置时，由于转换梁刚度的影响，转换层平面的扭转效应更为突出。同时，实腹梁转换容易引起转换层上、下刚度突变，对结构抗震不利。另外，实腹梁转换梁的截面尺寸很大，存在明显的强梁弱柱问题，转换结构关键部位抗震性能较差。实腹梁式转换结构存在的问题一般很难解决，因此，在大跨度、承托层数较多的托柱转换结构中，需要寻找新的转换结构形式来替代实腹梁式转换。

理论和工程实践表明，采用单层或叠层桁架结构是作为托柱转换层结构比较可行的方案。一方面，从

结构的传力方式来看，转换桁架具有传力明确，传力途径清楚的特点。另一方面，转换桁架不仅使开洞与设置设备管道具备条件，而且开洞的位置和大小都有很大的灵活性，使充分利用转换层的建筑空间成为可能。再者，从经济指标来看，采用转换桁架其钢材和混凝土的用量比采用转换梁要少。桁架转换层的节间空隙采用轻质建筑材料填充，有利于减轻结构的自重。与实腹梁转换相比，桁架转换有其突出的特点，转换桁架的抗侧力刚度小，桁架转换上、下层刚度突变不明显。也就是说，具有桁架转换的高层建筑其质量和刚度的突变较缓和，地震反应小；当转换结构构件在结构平面中偏置时，桁架转换层的平面扭转效应减弱。与实腹转换梁相比，转换桁架与转换柱连接的杆件截面尺寸与其转换柱的截面尺寸相当，很好的解决了转换结构中强梁（转换梁）弱柱（转换柱）的问题。用作转换构件的桁架一般有两种：空腹桁架和斜腹杆桁架。除上下弦杆外，仅有竖腹杆桁架的称空腹桁架；而只要有斜腹杆，不管有没有竖腹杆，即称为斜腹杆桁架。一般情况下，当跨度不大于15m时，采用空腹转换桁架较为经济合理（预应力空腹转换桁架可适当加大），当跨度大于15m时，建议采用斜腹杆桁架。斜腹杆桁架通过斜腹杆改变竖向荷载的传力方向和途径，使得上、下弦杆的弯矩和剪力都有较大幅度的减小，且竖向刚度有较大的提高，有利于控制转换桁架的竖向位移。本工程地上19层，需要转换的层数为14层，转换层的层高6.10m，从荷载级别及受力分析来看，设计成单层斜腹杆转换桁架可以很好的满足工程的要求。

本工程剪力墙平面布置均匀、基本对称，而转换桁架位于转换层平面一侧，属于严重偏置，转换层平面的地震扭转效应比较明显。为了解决此问题，在转换层平面中布置平面刚度平衡支撑。刚度平衡支撑布置位置为转换桁架相对剪力墙对称位置居中布置，刚度平衡支撑采用型钢混凝土交叉支撑。

为了选择合理的转换层结构布置方案，在实际工程设计时，采用北京迈达斯技术有限公司的m idas Building软件对实腹梁转换和桁架转换的结构进行分析对比，对转换结构方案进行优化。对比分析时，建立4种计算模型进行分析， 在4种计算模型中除转换层以外其它楼层所有模型数据均相同。（1）实腹梁式转换，转换梁高为转换层整层高度，在转换梁相对剪力墙对称位置不布置刚度平衡支撑；（2）实腹梁式转换，转换梁高为转换层整层高度，在转换梁相对剪力墙对称位置布置刚度平衡支撑；（3）桁架转换，转换桁架高度为转换层整层高度，在转换梁相对剪力墙对称位置不布置刚度平衡支撑；（4）桁架转换，转换桁架高度为转换层整层高度，在转换梁相对剪力墙对称位置布置刚度平衡支撑。以上4种计算模型完全按工程实际数据建立、计算、分析。通过计算分析，对4种模型的转换层上下刚度、结构在转换层的层间位移、结构在转换层的最大位移比等进行汇总、比对、分析。表1为4种计算模型的主要计算结果汇总。

4种计算模型主要计算结果 表1

从表1的分析计算结果可以明显看出：（1）转换桁架的刚度明显小于实腹梁式转换，与实腹梁式转换相比，桁架转换的抗侧移刚度减小将近20%，转换层与下一层的楼层侧向刚度比可以充分体现实腹梁式转换与桁架转换的转换层平面抗侧移刚度的不同。从转换层层抗侧刚度来看，转换结构构件优先选择桁架转换。（2）位移比的结果可以充分体现刚度平衡支撑的作用。由于布置了刚度平衡支撑，转换层的抗侧移刚度有所增加，转换层的最大层间位移角的计算结果变化就是刚度平衡支撑所引起的。从表1的位移比结果可以看出，由于实腹梁式转换构件的刚度偏大，刚度平衡支撑的作用不是特别明显；而在桁架转换中，平面刚度平衡支撑的作用显著。在转换层抗侧移刚度增大、转换层最大层间位移角减小的前提下，转换层的扭转位移比明显减小，刚度平衡支撑显著减缓了转换层的扭转效应，从本质上提高了转换层及整个结构的抗震性能。

经过计算、分析、对比，本工程采用单层斜腹杆桁架作为转换结构构件，同时布置刚度平衡支撑来解决转换层中由于转换结构构件平面偏置引起的平面扭转效应明显的问题。

3　转换桁架杆件布置形式

在作用荷载大小、跨度尺寸、桁架高度（矢高）不变的情况下，当桁架的杆件布置形式不同时，桁架各杆件的内力分布是不同的，有时差别较大。由于转换桁架的跨度较大，桁架杆件截面尺寸相对较大，杆件的内力也很大，转换桁架各杆件若按铰接设计，很难实现，所以，将转换桁架设计成刚性桁架。在刚性桁架中，各杆件之间为刚性连接，相当于在铰接桁架的基础上，在连接节点处增加了限制转动的多余约束，使静定结构的铰接桁架转化成超静定结构的刚性桁架。由于转换桁架杆件截面较大，能够承受一定的弯矩和剪力，按刚性桁架设计可以显著提高桁架整体承载能力和抗震性能，有效提高转换结构的可靠度。图5为8种桁架杆件布置方案。通过对布置方案的桁架杆件内力计算分析，桁架以轴力控制为主，弯矩、剪力为非控制因素。所以，在选择桁架杆件布置方案时以桁架轴力作为主要参数进行分析。表2为各布置

图5　桁架杆件布置方案

方案桁架轴力统计表。对表2的轴力大小进行统计、分析，上弦杆压力差值约为5%；下弦杆拉力差值约为6%；腹杆差别较大，腹杆的压力差值约为24%。轴力

桁架内力统计 （KN） 表2

绝对值的大小顺序为：上弦杆大于下弦杆，下弦杆大于腹杆。通过对不同桁架杆件布置形式的轴力统计分析，得出如下结论： ①桁架上下弦杆的轴力相对较大，是桁架控制轴力； ②桁架节间腹杆的数量对上下弦杆的轴力最大值的影响不大； ③桁架节间腹杆的数量影响腹杆轴力的大小和分布，桁架腹杆的轴力相对于弦杆较小，不是控制轴力，节间腹杆的数量没有必要布置太多，满足桁架基本体系的要求即可； ④下承式桁架的抗震性能比上承式桁架要优越，下承式桁架支座处以轴向压力为主，传力直接，容易设计成塑性结构构件，支座处杆件的受力方式与支座处柱类似，型钢混凝土结构构件以压弯为主，起到承上启下的作用。而上承式桁架在支座处以杆件受拉为主，不容易设计成塑性结构构件； ⑤对称型节点构造简单、结构杆件种类少，承载能力高和抗震性能优越。

在选择桁架杆件布置方案时，首先要满足结构设计的基本条件：⑴桁架杆件内力分布合理；⑵转换桁架的传力途径简单、直接；⑶节点受力合理，节点构造容易实现；⑷构件类型少，施工方便。 通过对不同桁架杆件布置方案的内力分析、比较，方案（7）属于下承式桁架，桁架腹杆数量适当，杆件规格少，节点构造对称、简单，桁架内力分布比较合理，传力途经明确，桁架节点处都有平面梁作为桁架的平面外支撑点。选择方案（7）作为转换桁架的杆件布置方案。

4　转换桁架的杆件材料

桁架结构的杆件材料主要有四种：（1）钢筋混凝土（R.C）：钢筋混凝土是比较常用的结构构件材料，具有一般的结构材料不可替代的优越性，但是对于本工程的转换桁架来说，由于桁架跨度大，承托荷载重，普通钢筋混凝土构件很难满足设计要求。（2）预应力钢筋混凝土（P.C）：一般在桁架下弦杆施加预应力，可提高下弦杆在拉力较大时的抗裂性能，同时可显著提高桁架的承载能力。在大跨度、重荷载的转换桁架中，上、下弦杆及腹杆的轴力都比很大，一般预应力钢筋混凝土构件也很难满足，即使勉强达到要求，截面尺寸也会很大。（3）钢材（S，型钢）：钢材是比较理想的建筑结构材料，质地均匀，各向同性，强度高，重量轻，施工质量好，在有些情况下无法用其它建筑结构材料代替，如重工业厂房、超高层建筑、超大跨度结构、高耸结构等等。以H型钢或焊接工字钢作用转换桁架的杆件，杆件及节点在工厂加工，施工现场拼装，施工方便，施工进度快。由于钢材力学性能的不断改善以及钢结构构件加工工艺的不断更新和发展，型钢桁架比较容易满足转换桁架的设计要求。而且型钢桁架的抗震性能优越，是比较理想的弹塑性结构构件。由于本工程转换桁架的杆件内力较大，大部分杆件（除下弦杆外）以受压为主，这对钢结构构件来说是很不利的，在轴向压力较大时型钢构件很容易失稳（主要是局部失稳），为了满足钢结构构件稳定性的要求，有时杆件的截面尺寸和杆件板材的厚度会很大，用钢量明显增加，不经济，而且高层建筑的耐火要求较高，钢结构有一定的耐热性但不防火。为了提高钢材的耐火性能，要采取一些防火、耐火措施，其投入成本也很高。（4）型钢混凝土（S.R.C）：型钢混凝土是在钢筋混凝土和钢结构的基础上发展起来的组合结构构件形式，型钢混凝土结构构件可以充分发挥两种材料的优势，两种材料组合后的整体工作性能要明显优于二者性能的简单叠加。与钢筋混凝土结构构件相比，型钢混凝土结构构件截面尺寸小，自重轻，增大有效使用空间，减小地震作用，节约模板，特别是型钢混凝土组合结构构件具有较好的延性。与钢结构相比，型钢混凝土结构构件用钢量少，降低造价，刚度大，稳定性和整体性高，耐火性和耐久性优越。理论分析和灾害实践表明，单纯的钢筋混凝土结构和单纯的钢结构的抗震能力和耐久性均低于型钢混凝土组合结构。由于外包混凝土的存在，解决了钢结构构件在压应力作用下容易失稳的问题；由于钢筋混凝土抗压性能优越，钢与钢筋混凝土组合的型钢混凝土结构构件的抗压承载力很高；由于钢筋混凝土耐火性能好，外包钢筋混凝土对钢结构构件起到了保护作用，解决了钢材耐火性能差的问题，提高了钢结构构件的耐久性能。型钢混凝土桁架承载能力高，抗震性能优越，耐火、耐久性能好，适用于中、大跨度结构屋盖结构及转换结构。以减轻结构自重、提高转换桁架的承载能力和抗震性能、改善转换桁架的耐久性、防火性以及降低成本为出发点，本工程最后选用型钢混凝土作为转换桁架的结构杆件材料。

钢管（矩形）混凝土桁架结构的承载能力、抗震性能等均高于型钢（H、工型钢）混凝土桁架结构，但是钢管混凝土桁架节点处相交杆件较多，同时又有斜向杆件，钢管内混凝土质量（密实度）不容易达到要求，尤其是节点处的混凝土质量不容易满足要求，施工难度大。考虑到当地施工队伍的施工技术能力及施工现场条件，没有选用钢管混凝土桁架结构。当混凝土的性能不断改善和提高，施工技术达到一定水平时，钢管混凝土桁架将是相对最优的转换结构杆件形式。

5型钢混凝土转换桁架中的型钢骨架承受转换结构层结构施工阶段的荷载

本工程转换层位于地上第五层，采用传统的施工工艺，地上一～四层将采用满堂脚手架来支持转换层结构的施工荷载，地下室顶板承受上部脚手架传来的转换层施工荷载。为了承担施工荷载，需加大地下室顶板处的结构构件的竖向承载力。当采用型钢混凝土转换桁架时，由于转换桁架的承载能力很高，型钢混凝土转换桁架内的钢骨架具有很高的承载能力，可以承受转换层施工阶段的荷载，可将模板悬挂在钢骨架上，省去脚手架支撑，降低地下室结构的建造成本，加快施工速度，缩短施工周期。

6结论

（1）本工程属于高位、大跨度转换结构，其承托层数与跨度在现有的建筑中都比较突出。转换结构采用型钢混凝土（S.R.C）桁架。转换结构构件的强度和刚度往往是相互关联的，但对于结构抗震来说又是矛盾的。为了提高竖向承载能力，结构构件的截面将会比较大，从而造成转换构件的刚度也会明显增大，转换构件的刚度增大往往又会对转换层的抗震性能产生明显的不利影响。型钢混凝土转换桁架的抗侧刚度明显小于实腹梁式转换，而且其承载能力和抗震性能又明显优于实腹梁式转换结构，有效的解决了转换结构结设计中刚度和强度的矛盾问题。型钢混凝土桁架适用于跨度较大、承托层数较多的转换结构，经济适用、安全可靠。

（2）型钢混凝土构件的内部型钢与外包钢筋混凝土部分形成整体，共同受力，其受力性能优于型钢部分和钢筋混凝土部分的简单叠加。充分发挥了型钢与钢筋混凝土结构各自的特点。型钢外包钢筋混凝土，可避免型钢过早出现局部屈曲或整体失稳，并具有耐火性好、节省钢材的优点；在混凝土中增加型钢，承载力大、抗震性能好，在增强结构构件承载能力的同时，显著减小结构构件的截面尺寸，降低转换桁架的整体刚度。

（3）本工程转换结构在转换层偏置，转换层扭转效应明显。在转换层结构平面中设置刚度平衡支撑，有效的解决了转换层扭转效应明显问题。刚度平衡支撑显著提高了转换层结构及整体结构的抗震性能。

（4）在转换结构设计时，搜集了大量资料，从理论和工程实践两个方面入手，了解、分析、研究转换结构的设计方法。根据不同形式的转换层结构的特点和适用范围，选择适合本工程实际的斜腹杆桁架作为转换结构构件；依据计算分析得到的不同桁架布置形式的内力特征，应用混凝土、钢结构、型钢混凝土等建筑结构材料的力学特性，并与工程的实际情况相结合，选择型钢混凝土作为转换桁架结构杆件的材料。每一个工程项目的结构设计都有其特有的自身特点，我们在进行结构设计过程中，必须要充分了解工程自身的结构特点， 然后应用已有的建筑结构设计理论，并参考已有的工程实际案例，选用合理的结构方案，依据结构本身的力学特性来选择适用的结构材料。

［1］聂建国.钢-混凝土组合结构［M］.北京：中国建筑工业出版社，2005.3（2011.10重印）.

［2］ 赵国藩.高等钢筋混凝土结构学［M］.北京：机械工业出版社，2005.8（2011.6重印）.

［3］唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工［M］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

［4］张维斌.钢筋混凝土带转换层结构设计释疑及工程实例［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008.12（2011.10冲印）.

［5］JGJ3-2010高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京-中国建筑工业出版社，2011.

Application of steelrein forced concrete truss in trans ferstructure

Huang Yongcun、Guo Chunyan Jilin Province Jian Yuan design g roupco. LTD， Changchun，130011

This projectcon tains one story unde rground and 19 stories above ground. Thes tructural trans ferfloor is on the fifth floor. The trans fers truc tu re adop ts steelrein fo rced concrete trans fertruss with 27 metersaxis span. Steelrein forcedconcre tetrus strans fer structure cansign ifican tlyease them ass and stiffness muta tion of high-rise build ing. That trans fertruss member is struc tu ral member of the steelrein fo rced concrete fully exe rts the mechanica lperform an ce of the steel and rein forced concre teres pectivly. Steelen case drein forced concre tecan avoid premature local buck lingor globalins tability of steel，and possesses the advan tages of firere tardancy， saving steel. Addings teelin the concre te has the advan tages of high bearing capacity， better seismic behavior and so on. Steelre in fo rced concre tetruss is suitable for column trans form ations truc ture with large spanand supporting multiplelaye rsand is economic， applicable， sa fe， and re liable.

trans fertruss ， steelrein forced concrete， stiffness mutation，support fors tiffness balance