某酒店帶局部桁架轉換的結構設計

管前黔 張帆

某酒店帶局部桁架轉換的結構設計

管前黔 張帆

本文針對局部桁架轉換，采用了彈性膜單元考慮轉換處及其相鄰上層樓板的面內(nèi)真實剛度，運用MIDAS GEN驗證分析了該榀桁架在多遇地震下PKPM的計算內(nèi)力，并運用ETABS對轉換處樓板進行了罕遇地震應力分析，分析表明多遇地震下該桁架轉換傳力明確，受力合理，結構安全；罕遇地震下樓板處于彈性狀態(tài)，能較好的傳遞水平力。

桁架轉換；地震作用效應；樓板應力

1.工程概況

酒店全稱雅安宜必思酒店，修建于四川省雅安市，位于市沿江中路與北大街交匯處，為一座地上7層經(jīng)濟旅游型酒店，地下一層，建筑高度20.95m，建筑面積約6100m2。地上主要功能是星級便捷酒店，地下為車庫及設備用房，建筑效果圖見圖1。

本工程抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組第二組，建筑場地類別為II類。

2.結構布置方案及分析

2.1 主樓結構方案的確定

房屋高度為21.100m，主樓結構采用框架結構體系。由于建筑豎向功能及開敞功能的要求，結構在二層板面(標高4.150m)需設置局部轉換，⑦、⑧軸抽柱在入口門廳處形成底部大空間，局部轉換平面圖見圖2，局部標準層平面圖見圖3。

由功能要求造成結構不規(guī)則主要體現(xiàn)在：平面扭轉不規(guī)則及豎向抗側力構件不連續(xù)。⑦軸線抽柱處采用了梁式轉換設計，轉換梁跨度為8.1m，梁截面尺寸為800×950，基本能滿足建筑的凈高要求。⑧軸線抽柱處如采用梁式轉換設計，跨度達到了14.2m，經(jīng)復核轉換梁高需要做到1300～1500mm，此高度使得建筑功能難以實現(xiàn)，為此，采用了桁架轉換，詳見圖4。梁高能很好的控制在950mm，較好的實現(xiàn)了建筑功能要求。

圖1 建筑效果圖

圖2 局部轉換平面圖

圖3 局部標準層平面圖

圖4 桁架轉換立面圖

2.2 結構計算分析

2.2.1 PKPM軟件計算分析

本項目二層板面以下梁、板及斜撐(包括斜腹桿)混凝土強度等級為C35，框架柱為C40，二層以上除斜腹桿外均為C30。轉換桁架的主要尺寸：下弦桿截面為700×950，斜腹桿截面為400×800，豎腹桿件截面為400×650，上弦桿截面為400×500。桁架為疊層轉換，標高從4.150m～9.750m，通過兩層的共同作用，使得受力更加合理可靠。

經(jīng)PKPM軟件計算分析，可以得出轉換桁架下弦桿最大彎矩較直接采用轉換梁計算的最大彎矩減少60～70%，使得下弦桁架的高度進一步減小，初步驗證了該桁架方案對空間節(jié)省的可行性。

轉換桁架方案使豎向荷載的傳力方向發(fā)生了變化，豎向荷載從四層通過桁架斜桿較直接傳給了4.150m處支座；使得上、下弦桿剪力和彎矩有較大幅度的減小，從而減小了桿件截面尺寸，但為此使得斜桿受壓，需要著重考慮斜腹桿的軸壓比和延性問題。

因本項目的二層上面體型收進較大，雖⑧軸線設置的桁架提供了較大的側向剛度和豎向剛度，起到了控制結構的水平位移的有利效果，但為了控制結構整體的剛心與質心相對位置，避免結構產(chǎn)生較大扭轉，以及考慮到豎向構件剛度的平緩過渡，在在⑦軸一層設置了單層斜撐見圖5，①軸設置了跨層斜撐見圖6，從而使結構的各項控制參數(shù)均達到規(guī)范的要求。

圖5 局部斜撐立面圖1

圖6 局部斜撐立面圖2

2.2.2 相關結構軟件驗證分析

為驗證桁架轉換在豎向荷載的受力，采用了彈性膜單元考慮轉換處及其相鄰上層樓板的面內(nèi)真實剛度，通過MIDAS GEN得到了恒荷載作用下各桿件的軸向力和彎矩見下圖7～圖8。

圖7 恒載作用下的桁架軸力圖(kN)

從圖7可看出：在豎向恒荷載作用下，桁架的下弦桿件全長受拉；位于兩個斜桿中間的上弦桿受壓，斜桿兩邊的上弦桿受拉；斜腹桿全長受壓。這個受力模式較符合前面分析的：豎向荷載直接從四層通過桁架斜桿(受壓桿)較直接傳給了4.150m處框架柱支座，起到了改變受力途徑的作用。因活荷載也為豎向荷載，使桁架的受力模型同上圖類似。

圖8 恒載作用下的桁架彎矩圖(kN.m)

從圖8可以看出：在豎向恒荷載作用下，桁架的下弦桿件彎矩值不大，整個跨層桁架各桿件受力均相對較小，下弦桿高度按950mm取能滿足受力要求，且能實現(xiàn)建筑凈高的要求。

為驗證桁架轉換處樓板罕遇地震下能有效傳遞水平力，采用了ETABS軟件分析見下圖9～圖12。

據(jù)圖9～12表明：在罕遇地震下，轉換桁架處局部樓板的應力最大值為1.2MPa，不大于C35混凝土軸心抗拉強度標準值2.20MPa。這表明大震下，樓板仍處于基本彈性狀態(tài)，能很好且有效的傳遞水平力。轉換桁架上層(即三層)局部樓板應力很小，基本在0.20MPa以內(nèi)，能說明兩層樓板能有效的協(xié)同桁架的各個桿件來共同來工作。

圖9 地震作用下二層局部樓板X方向應力(N/mm2)

圖10 地震作用下二層局部樓板Y方向應力(N/mm2)

圖11 地震作用下三層局部樓板X方向應力(N/mm2)

圖12 地震作用下三層局部樓板Y方向應力(N/mm2)

2.3 桁架轉換部位結構加強措施

本工程抗震等級為三級，但對轉換構件(柱、梁、斜撐)進行了針對性的加強，采用抗震等級為二級。

設計中遵循了桁架轉換強斜腹桿和強節(jié)點原則；桁架轉換上部框架按強柱弱梁、強邊柱弱中柱的原則[1]。

為保證強受壓斜腹桿，對其軸壓比進行了嚴格控制(μN≤0.8)，經(jīng)過MIDAS對斜桿的內(nèi)力提取，進行組合后得到斜腹桿的軸壓比為0.61，小于要求的0.80，確保了其延性。

為保證桁架強節(jié)點，則節(jié)點區(qū)假面尺寸以及其箍筋的數(shù)量必須滿足截面抗剪承載力要求。桁架節(jié)點需采用封閉式箍筋，箍筋加密，以確保節(jié)點區(qū)混凝土的約束性能。對于疊層桁架節(jié)點，本項目中采用了“八字形”配筋方式，有實驗證明是有效的[1]。每側的鋼筋見下圖13，3根直徑20的八字形鋼筋，其伸入桁架桿件的錨桿長度要求大于等于laE, 彎錨長度大于等于15d (d為八字形鋼筋直徑)。

對受拉的弦桿或腹桿縱向受力鋼筋沿周邊對稱配置，且在正常使用極限狀態(tài)下裂縫按0.2mm來控制。受拉桿件的箍筋全長加密，且滿足箍筋的最小配箍率。受拉鋼筋的連接接頭按機械連接采用。對受壓的弦桿或腹桿的縱向鋼筋也按均勻布置的原則考慮，且貫通桿件全長，錨固從節(jié)點邊算起不小于10d。

轉換處的樓板適當加厚，混凝土等級提高為C35，并雙層雙向配筋，且每個方向的配筋率提高至0.25%左右。

圖13 桁架節(jié)點區(qū)八字形鋼筋

3.結論

3.1 在常規(guī)梁式轉換不能滿足建筑功能需求時，結構設計可考慮選擇桁架轉換結構形式。若單層桁架還是難于實現(xiàn)凈高要求時，可采用疊層的空間桁架形式。

3.2 設計中需要遵循桁架轉換強斜腹桿和強節(jié)點的原則，嚴格控制斜腹桿的軸壓比，做好節(jié)點區(qū)鋼筋的構造和錨固工作，如：控制好節(jié)點區(qū)的箍筋間距和縱向鋼筋的錨固等。

3.3 桁架轉換部位需要考慮樓板在面內(nèi)的真實剛度，以便得到桁架處各個桿件的真實內(nèi)力和樓板在地震作用下的真實應力。

[1] 高層建筑轉換層結構設計與施工.北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2002.

[2] JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規(guī)程. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2011.

[3] GB 50010—2010混凝土結構設計規(guī)范. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2011.

TU323.4

A

1671-3362（2015）06-0073-03

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