杭州釣魚(yú)臺(tái)酒店型鋼混凝土轉(zhuǎn)換桁架的設(shè)計(jì)

顧宏達(dá)

GU Hongda

(杭州市建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州310016)

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件可以采用轉(zhuǎn)換梁、轉(zhuǎn)換桁架、箱型結(jié)構(gòu)、斜撐等，設(shè)計(jì)師應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況選擇合理的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式。杭州釣魚(yú)酒店工程轉(zhuǎn)換構(gòu)件承受的上部荷載較大，且轉(zhuǎn)換構(gòu)件跨度達(dá)24 m，因此我們選用轉(zhuǎn)換桁架作為轉(zhuǎn)換構(gòu)件。通過(guò)三種轉(zhuǎn)換桁架結(jié)構(gòu)方案的對(duì)比分析，確定桁架形式，并對(duì)這類結(jié)構(gòu)提出一些看法和建議。

1 工程概況

杭州釣魚(yú)臺(tái)酒店位于杭州市錢江新城CBD 核心區(qū)域A11、12 地塊。酒店?yáng)|南沿錢塘江，西側(cè)和南側(cè)環(huán)抱森林公園及城市陽(yáng)臺(tái)，北臨市民中心和杭州大劇院。酒店地面以上由兩幢各17 層的塔樓組成，屋面標(biāo)高74.75 m，兩幢塔樓于14 層以上設(shè)置4層高的鋼結(jié)構(gòu)空中連廊，跨度約為29 m。雙塔底部設(shè)4 層裙房，其中1～3 層為酒店輔助用房，層高均為4.95 m，4 層為設(shè)備轉(zhuǎn)換層，層高為2.15 m。地下4 層，用于酒店后勤、設(shè)備用房、汽車庫(kù)等。

2 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)背景

本工程裙房3 層處要求設(shè)置1000 m2無(wú)柱宴會(huì)廳，因此兩側(cè)塔樓在3 層處各有3 根主樓的邊框架柱不能連續(xù)，需要設(shè)置結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換構(gòu)件。上部?jī)伤侵g的鋼結(jié)構(gòu)連廊以塔樓兩側(cè)邊框架柱為擱置點(diǎn)，29 m 跨連廊所有荷載均通過(guò)塔樓邊框架柱傳遞到轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)承受的荷載較大，且轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)跨度達(dá)到24 m。因此，本工程的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)整個(gè)建筑物的安全起著至關(guān)重要的作用。若采用普通框支梁作為轉(zhuǎn)換構(gòu)件，截面非常大，且這種結(jié)構(gòu)受力模式類似深梁，傳力途徑不明確，則對(duì)結(jié)構(gòu)安全不利。我們選定采用轉(zhuǎn)換桁架作為轉(zhuǎn)換構(gòu)件［1］，來(lái)實(shí)現(xiàn)本建筑使用功能上的需求，桁架上下弦桿分別設(shè)置在4 層和5 層的樓層標(biāo)高處(圖1)，為清楚看到轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的情況，裙房的部分框架已隱去，且轉(zhuǎn)換桁架所在的一榀框架也用深色示意。

圖1 結(jié)構(gòu)模型示意圖

3 轉(zhuǎn)換桁架設(shè)計(jì)

由于本工程中轉(zhuǎn)換桁架屬于特別重要結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中將轉(zhuǎn)換桁架抗震等級(jí)提高一級(jí)，考慮豎向地震作用，并以中震彈性為該構(gòu)件結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)指標(biāo)［2］，設(shè)計(jì)軟件主要采用MIDASbuilding 和MIDAS-GEN。在確定了以轉(zhuǎn)換桁架作為轉(zhuǎn)換構(gòu)件后，我們需要解決桁架的形式、桿件材料以及各構(gòu)件的具體設(shè)計(jì)等問(wèn)題。

3.1 轉(zhuǎn)換桁架形式確定

3.1.1 轉(zhuǎn)換桁架方案一 由于主體結(jié)構(gòu)為混凝土結(jié)構(gòu)，所以轉(zhuǎn)換桁架首先考慮為混凝土結(jié)構(gòu)，即桁架的上下弦桿以及腹桿均采用普通混凝土構(gòu)件。但是通過(guò)建模計(jì)算發(fā)現(xiàn)，荷載作用下桁架下弦桿及部分受拉腹桿的軸力過(guò)大，配鋼筋面積非常大，甚至出現(xiàn)了超筋的情況。另外，在普通框架結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)，通常只有水平方向的梁鋼筋和豎直方向的柱鋼筋，而在轉(zhuǎn)換桁架節(jié)點(diǎn)處還存在桁架腹桿內(nèi)的縱向鋼筋，部分桁架節(jié)點(diǎn)存在四個(gè)方向的鋼筋在同一節(jié)點(diǎn)區(qū)交錯(cuò)甚至錨固的情況，多向交錯(cuò)(錨固)的鋼筋排布使得節(jié)點(diǎn)區(qū)混凝土澆筑困難，施工質(zhì)量難以得到保證［3］。

3.1.2 轉(zhuǎn)換桁架方案二 我們嘗試采用型鋼混凝土桁架，利用型鋼來(lái)抵抗拉應(yīng)力［4］。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，相比混凝土桁架，由于各桿件內(nèi)的拉力主要由型鋼承擔(dān)，型鋼混凝土桁架各構(gòu)件的配筋量大幅減少。但是，由于構(gòu)件內(nèi)型鋼的存在，許多鋼筋被型鋼翼緣板打斷，節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)可供排布鋼筋的空間也大幅減小，在鋼筋四向交錯(cuò)的節(jié)點(diǎn)處，鋼筋排布依然很困難。再加上型鋼上的加勁肋板、栓釘?shù)炔贾迷黾恿嘶炷翝仓碾y度，因此施工質(zhì)量難以保證的問(wèn)題依然存在。

3.1.3 轉(zhuǎn)換桁架方案三 前兩種方案都存在節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋排布困難，施工質(zhì)量難以保證的問(wèn)題，主要原因是桁架結(jié)構(gòu)中無(wú)法避免部分節(jié)點(diǎn)存在多個(gè)方向構(gòu)件相交的情況，這些節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)多向鋼筋交錯(cuò)導(dǎo)致混凝土澆搗困難。因此，筆者對(duì)型鋼混凝土桁架作了一些調(diào)整:上下弦桿仍采用型鋼混凝土構(gòu)件，以方便與桁架上下混凝土構(gòu)件及同層混凝土梁板的連接;所有腹桿均采用鋼構(gòu)件，從而達(dá)到減少節(jié)點(diǎn)區(qū)鋼筋量的目的。桁架形式以及各構(gòu)件截面的選用見(jiàn)圖2。這樣，在節(jié)點(diǎn)區(qū)的桁架平面內(nèi)就只有上下弦桿內(nèi)一個(gè)方向的鋼筋，可避開(kāi)節(jié)點(diǎn)區(qū)的型鋼及加勁肋板。由于節(jié)點(diǎn)處的鋼筋用量降低，設(shè)計(jì)中只需要在部分加勁肋板上預(yù)留孔洞，節(jié)點(diǎn)區(qū)的混凝土澆筑就會(huì)變得相對(duì)容易，進(jìn)而達(dá)到降低施工難度，確保施工質(zhì)量的目的。

圖2 桁架布置圖

根據(jù)上述確定的桁架形式及桿件截面，通過(guò)計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，上下弦桿中最不利位置是下弦桿跨中截面，該截面處于小偏拉狀態(tài)，拉力和彎矩依靠型鋼和鋼筋來(lái)共同承擔(dān);腹桿中，應(yīng)力比最大的桿件為4 號(hào)腹桿，其應(yīng)力比達(dá)到了0.8，而其他腹桿的應(yīng)力比均較小，這樣的結(jié)果基本能夠滿足設(shè)計(jì)要求。因此，筆者認(rèn)為方案三是一個(gè)較合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

3.2 型鋼混凝土桁架桿件截面驗(yàn)算

在確定桁架的形式后，需要對(duì)各桿件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以判斷，轉(zhuǎn)換桁架各構(gòu)件均處于壓彎或者拉彎狀態(tài)，其中鋼腹桿可依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50017—2003)》中壓彎構(gòu)件和拉彎構(gòu)件的設(shè)計(jì)公式進(jìn)行驗(yàn)算，上下弦桿中的壓彎構(gòu)件可參照《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 138—2001)》中型鋼混凝土框架柱的截面設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，但對(duì)于上下弦桿中的拉彎構(gòu)件，規(guī)范中沒(méi)有提供相關(guān)的設(shè)計(jì)依據(jù)，需要我們自行對(duì)這類構(gòu)件進(jìn)行分析。

桁架下弦桿跨中處為拉力最大的部位，拉力為17398 kN，彎矩為1882 kN·m，計(jì)算可知偏心距為108 mm，而下弦桿截面高度為1000 mm，因此下弦桿構(gòu)件全截面受拉，處于小偏拉狀態(tài)。

在設(shè)計(jì)中，我們假定混凝土的抗拉強(qiáng)度為零，所以小偏拉型鋼混凝土構(gòu)件的拉力和彎矩完全依靠型鋼和鋼筋來(lái)承擔(dān)，假設(shè)受拉區(qū)和受壓區(qū)的配筋面積相同，即As= A's，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的拉彎構(gòu)件計(jì)算公式，考慮鋼筋與型鋼共同作用，筆者推導(dǎo)出了型鋼混凝土小偏拉構(gòu)件計(jì)算的近似公式

式中:N 為計(jì)算截面的軸力;

Mx為計(jì)算截面的彎矩;

An為型鋼凈截面面積;

As和A's分別為受拉區(qū)和受壓區(qū)鋼筋截面面積;

f 為型鋼強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

fy為鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

γx為型鋼截面相應(yīng)的截面塑性發(fā)展系數(shù);

Wnx為型鋼的凈截面模量;

h0為截面有效高度;

as為受壓區(qū)的保護(hù)層厚度。

根據(jù)上述公式對(duì)型鋼混凝土拉彎構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計(jì)，以確保整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性。

4 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

本工程中轉(zhuǎn)換桁架屬于特別重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在計(jì)算中我們對(duì)其考慮豎向地震作用，并以中震彈性為結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)在結(jié)構(gòu)抗震構(gòu)造措施及材料性能方面也采取了一定的措施。

首先，對(duì)轉(zhuǎn)換桁架本身提高一級(jí)采取抗震構(gòu)造措施，轉(zhuǎn)換桁架上下弦桿按《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程(JGJ 3—2010)》中轉(zhuǎn)換梁的構(gòu)造要求進(jìn)行加強(qiáng)，控制上、下部縱向鋼筋配筋率不小于0.4%，配箍率不小于1.1ft/fyv，箍筋沿梁全長(zhǎng)加密，并設(shè)置一定數(shù)量的拉筋，以提高型鋼混凝土構(gòu)件的整體性。

其次，對(duì)與轉(zhuǎn)換桁架上下弦桿相連的樓板進(jìn)行加強(qiáng)，增加這些樓板的板厚和配筋率，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，以加強(qiáng)轉(zhuǎn)換桁架的抗震性能。

另外，由于轉(zhuǎn)換桁架的腹桿以及上下弦桿內(nèi)的型鋼板件均較厚，在鋼材的選用上我們要求均采用Z 向鋼Q345GJZ，質(zhì)量等級(jí)為C 級(jí)，其Z 向性能應(yīng)達(dá)到Z15 級(jí)，防止鋼材發(fā)生層狀撕裂。轉(zhuǎn)換桁架上下弦桿、腹桿及加勁板之間的連接焊縫均采用全熔透一級(jí)焊縫，以保證焊縫的強(qiáng)度和質(zhì)量。

5 結(jié) 語(yǔ)

杭州釣魚(yú)臺(tái)酒店存在轉(zhuǎn)換層、連體和多塔等多種設(shè)計(jì)難點(diǎn)并存的情況，屬于多重復(fù)雜建筑，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)所傳遞的上部荷載較大，它的安全性對(duì)整個(gè)建筑物有著極其重要的意義，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)研究和計(jì)算分析，得到如下結(jié)論:

(1)當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)跨度較大且承受較大荷載時(shí)，可以采用轉(zhuǎn)換桁架來(lái)傳遞上部荷載，使得結(jié)構(gòu)傳力途徑明確，計(jì)算結(jié)果可靠，以提高結(jié)構(gòu)安全性能。

(2)對(duì)轉(zhuǎn)換桁架來(lái)說(shuō)，部分腹桿和弦桿會(huì)處于受拉的狀態(tài)，由于混凝土抗拉性能較差，宜在構(gòu)件中適當(dāng)加入型鋼，加強(qiáng)各構(gòu)件的抗拉性能。另外，多向交叉的桁架節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)鋼筋布置和混凝土澆筑都會(huì)比較困難，應(yīng)該考慮合理的桁架形式來(lái)減少這些施工難度，確保施工質(zhì)量。本工程采用的方法是上下弦桿采用型鋼混凝土構(gòu)件，而各腹桿采用鋼構(gòu)件，這樣既保證了桁架與上下層豎向結(jié)構(gòu)及本層梁板結(jié)構(gòu)的可靠連接，也減小了施工難度，施工質(zhì)量容易保證。

(3)型鋼混凝土拉彎構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法規(guī)范中沒(méi)有明確說(shuō)明，本文提出的近似計(jì)算公式(1)可對(duì)小偏拉構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算。

(4)對(duì)于轉(zhuǎn)換桁架這樣的重要構(gòu)件，除了在計(jì)算和設(shè)計(jì)過(guò)程中采取一定手段保證結(jié)構(gòu)安全性外，還應(yīng)從構(gòu)造措施、結(jié)構(gòu)材料選用及施工質(zhì)量要求等方面進(jìn)行優(yōu)化，來(lái)提高結(jié)構(gòu)的可靠度。

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