带多连体的复杂高层结构设计

带多连体的复杂高层结构设计

Structral Design of a Comprehensive High-Rise Building with Several Transfer

Structures

苏项庭，冯永伟，洪渊

SU Xiangting，FENG Yongwei，HONG Yuan

（浙江省建筑设计研究院，浙江杭州310006）摘要:介绍了一幢具有三处连接体的复杂高层结构设计，重点说明了转换桁架的设计要点，横置H型钢在转换桁架中的应用及型钢混凝土节点的设计。介绍了结构整体参数的控制以及小震弹性时程分析。最后总结了此类结构应采取的抗震加强措施。

关键词:转换桁架；横置H型钢；多连体结构

现代化建筑不断在追求个性，大悬挑、高空连廊、通高大堂、立面收进等元素得到广泛运用；建筑平面功能分区及相互关系也呈现多样化，大型会议室、宴会厅、运动场等场所在高层建筑内随处可见。得益于大量结构设计软件的开发，各种奇形怪状建筑都可以建模计算并得到结果，并可利用多种软件相互验证。然而，如何在满足建筑师要求的同时，合理利用结构概念设计，化繁为简，对结构设计人员带来各种挑战。本文结合某超限高层结构设计，论述设计中各类问题的解决措施。

1 工程概况

该建筑位于杭州市武林广场东侧中河高架和环城北路交叉口，总用地面积为24509m2，建筑面积为119500m2。地上由一幢22层高层建筑和一幢2层（局部3层）建筑组成，其中高层建筑结构总高度为99.9m，底部两层层高为5.1m，其余层高为4.2m。主要功能为生产用房、数据中心及会议室等；地下3层外加局部夹层，为地下车库及地块内相关设备用房。图1为其建筑效果图。

作者简介：苏项庭(1983-)，男，福建莆田人，工程师，从事建筑结构设计工作

图1 建筑效果图

2结构设计难点

本工程主楼平面呈三角形布置，三角形两直角边约为100米和60米，平面形状不规则；平面中部存在两个连体，连体层数较多，分别为15层和9层；为了建筑功能需要，连体之间布置数层中庭，中庭最大跨度约为20米；南边连体在16层结束，导致结构高位收进；另外，还存在个别穿层柱和大开洞等不规则。根据建筑结构抗震设计规范[1]，应列为特别不规则建筑。

3结构设计

根据结构高度及建筑布置，主楼拟采用框架剪力墙结构体系[2]，在楼梯电梯及设备间设置闭合剪力墙，并根据扭转参数需要，在外围框架柱之间设置带边框剪力墙。连体层数较多，为了减轻自重并便于施工，拟采用钢结构结合钢筋桁架楼承板，连接体采用平面钢桁架作为转换结构，与主楼连接处设置型钢混凝土柱。连体之间的中庭利用单向钢梁铰接于两侧钢框架。主楼结构模型如图二所示。

a 剪力墙

b 框架柱和钢桁架

c 整体结构

图二主楼结构体系

3.1转换结构设计

平面中部北入口处设置六层通高大堂，为了保证大堂通透效果，该范围内不布置竖向构件。平面中部南边为室外车道，也不能设置竖向构件。因此形成了南北两个连体结构（见图三），连体跨度为36米。连接体采用平面钢桁架，其中北边连体设置3榀桁架，南边连体设置2榀桁架。在第二中庭处设置大型会议室，导致北边连体第2、3榀桁架平面内钢框柱先后中断，需再设置转换。为了保证结构体系简单，传力路径清晰，将北部连体分为上下两个连接体，并结合局部吊柱，将上下结构彻底隔开。

图三转换桁架平面布置示意

本工程有桁架转换共八处，根据连体层数及使用荷载的不同，采用了两种桁架形式。第一种为V型桁架结构(图四a)，适用于连体层数不大于5层，其上功能为小型会议室，办公等活载较轻房间。第二种为X型桁架结构(图四b)，适用于连体层数大于5层，其上房间使用荷载载较大。

a V型桁架结构

b X型桁架结构

图四桁架结构形式

由于本工程中转换桁架属于特别重要结构构件，除了抗震等级按要求提高一级，考虑竖向地震作用，并按中震弹性进行性能化设计外，还应采取其它软件进行较核，避免单一软件出错影响工程质量。作者在设计过程中采用了Midas Building、YJK和PKPM分别对各工况下桁架的受力性能进行校核，结果显示，三者计算出的支座处桁架腹杆轴力误差不大于10%。为计算桁架层水平构件的轴向力，应将桁架层楼板设为弹性楼板，也可以将板厚设为零并在楼面恒载中考虑板自重[3]。

3.2横置H型钢的应用及节点设计

由于连体层数较多，荷载较大，经试算，采用普通H型钢截面，钢桁架腹杆截面很大，翼缘和腹板厚度均较大。作者考虑到桁架杆件均以承受轴向拉压力为主，因此借鉴桥梁工程中常用到的横置H型钢受力形式。使用H型钢有如下优点：

a)正放H型钢，当内力较大时，一般通过增加翼缘宽度和厚度来满足应力比要求，如果翼缘宽度加大，桁架的厚度也变大，进而影响桁架两端型钢混凝土柱的截面。如果柱子与电梯井道、楼梯间等相邻，则翼缘宽度不能随意加大。对于横置H型钢，腹板高度可根据建筑通道要求取合适尺寸。因此，同一榀桁架，只要保持腹板高度一致，设计时根据轴力大小改变翼缘的宽度和厚度即可。

b)正放H型钢，当内力较大时，无论与劲性柱内置型钢腹板或翼缘连接，均为面外焊接，容易导致柱内型钢层状撕裂。而横置H型钢与劲性柱内置型钢连接为平面内焊接，不存在层状撕裂可能。

c)采用横置H型钢的桁架，主要通过翼缘传力，节点处翼缘板可整块切割，

应力集中效应较小。节点简单（见图五），可在工厂加工完成，现场安装只需要在节点外采取全焊接拼接。

d) 一般桁架弦腹杆以轴心受力为主，一般受稳定应力控制，只要调整好H 型钢X,Y两方向的惯性矩，使之相近，则两向稳定应力比相近，可最大程度利用钢材性能。

图五横置H型钢弦杆与腹杆节点图六横置H型钢弦腹杆与型钢柱连接节点钢桁架使用横置H型钢，使得整个桁架连接连点十分简单，桁架与型钢混凝土柱的连接也同样采用此类方法（见图六）。取柱内H型钢腹板高度与桁架腹板高度一致，则翼缘与桁架杆件翼缘在同一面内，可保持厚度相同并整体切割，保持翼缘间传力的连续性。由于此翼缘板尺寸较大，使型钢混凝土柱箍筋在核心区不能兜通。可在翼缘上设置连接套筒或预留短钢筋予以解决。

3.3整体参数的控制

该建筑平面呈三角形布置，平面形状不规则；此外，在建筑中部设置较多的转换桁架，使得平面中部刚度较大，对结构抗扭不利。为此，除了在各单体核心筒处设置剪力墙，还需在建筑外围选择不影响建筑效果处设置剪力墙以提高结构的抗扭效果[3]。东西端侧向刚度差异很大，应在西端设置Y向剪力墙，以提高此处的Y向侧向刚度。经调试，图七中剪力墙布置能满足位移比和周期比限值要求。

图七底层竖向构件布置图

由于转换桁架刚度较大，导致桁架层刚度及受剪承载力突变。通过调整桁架层以下楼层剪力墙和框架柱截面，可减缓刚度及承载力突变。图八给出X向楼层侧向刚度比和楼层受剪承载力比(因MIDAS过高估算支撑的抗剪承载力,本项目连接体上下层抗剪承载力比大于10，明显不符实际情况，故以YJK与SATWE比较）。从图中可以看出：在桁架层位置存在较大的刚度和抗剪承载力突变，但是仍满足侧向刚度不小于上一层70%，上三层平均值80%，楼层承载力不小于相邻上层65%的规范要求。

楼

侧向刚度比值楼层抗剪承载力比值

图八楼层侧向刚度比值和楼层受剪承载力比值

3.4小震弹性时程分析

该建筑体型复杂，为特别不规则建筑，应进行小震弹性时程分析[1]。采

用2条天然波和1条人工波进行小震弹性时程分析，并与规范反应谱分析结果进行了比较，结果见表1。表中可见：每条时程曲线计算所得结构基底剪力不小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算的结构基底剪力的平均值不小于振型分解反应谱法计算结果的80%。从而说明时程波的选取是合适的，满足规范要求。

图九列出了时程分析与反应谱对应的X向各楼层剪力、楼层弯矩。对比楼层剪力图可以看出：顶部8层左右时程分析的包络值略大于规范反应谱法的结果。结构采取包络设计，对反应谱的地震力采取放大处理，放大系数取各个楼层的地震剪力增大值。

表1时程分析与反应谱分析基底剪力比较

0°（x向）90°（y向）

地震波基底剪力

（kN）

时程基底

剪力/反应谱基

底剪力

基底剪力

（kN）

时程基底

剪力/反应谱基

底剪力

反应谱13638.6 ——10489.1 ——天然波1 TH3TG045 12771.7 0.94 8475.2 0.81 天然波2 TH4TG045 11791.9 0.86 7869.1 0.75 人工波1 RH2TG045 11057.2 0.81 9535.6 0.91

时程分析平

均值

11873.6 0.87 8626.7 0.82 是否满足——满足——满足

楼

层

楼层剪力（KN）

楼层弯矩（KN·m）

图九时程分析与反应谱分析楼层剪力比较

3.5 结构加强措施

该建筑存在平面不规则，多处转换，大开洞等多种设计难点并存情况，转换结构上部荷载较大，属于多重复杂超限建筑，并于2015年7月通过浙

江省建筑工程抗震技术委员会的抗震设防专项审查[4]。除了转换桁架应按要

求进行性能化设计，还应从其它方面予以加强，下面总结本工程采用的各类加强措施：

1、转换桁架、转换柱和剪力墙底部加强部位抗震等级提高至二级，其

余剪力墙、框架梁和框架柱为三级（设计时杭州地区设防烈度仍为6度）。

并按中震弹性，大震不屈服要求设计。普通框架柱按中震不屈服要求设计。

2、转换柱箍筋采用井字复合箍，并沿柱全高加密，箍筋直径不小于10mm，箍筋间距不大于100mm，配箍特征值比普通框架柱要求的数值增加0.02且

箍筋体积配箍率不小于1.5%。轴压比限值和纵向受力钢筋最小配筋率按部分框支剪力墙结构中框支柱要求取值。

3、剪力墙底部加强部位取嵌固端至第一处转换桁架顶面以上两层，其

余连接体所在楼层及上下层剪力墙设置约束边缘构件。

4、连接体楼板板厚为150mm，采用双层双向钢筋网，每层每方向钢筋网的配筋率不小于0.25%，连接体楼板设置水平支撑，按高规第10.2.24条进行受剪截面和承载力验算。对转换层楼板和大开洞处楼板进行楼板应力详细分析，根据楼板详细分析结果对相应薄弱部位和大应力区采取加强措施。

5、对于个别抬柱转换的转换梁和穿层柱采取性能设计，满足中震弹性

要求，箍筋全长加密。

6、连接体桁架上下弦杆内伸一跨，内跨框架柱设置型钢，确保转换桁

架与主体结构可靠连接。

7、采用多个结构软件（PKPM-SATWE、MIDAS、YJK等）对计算结果，特别是桁架的内力进行分析比对。

5结语

本文通过对杭州市武林广场东侧一幢带多连体的复杂高层进行详细研

究和分析，得到如下结论：

a)根据转换结构跨度及其上负荷大小，可选择不同桁架形式。作为关键

构件，对于其内力，必须采取两种以上软件进行复核，以避免单个软件缺陷

引起结构安全问题。复核内力时应对桁架层楼板进行弹性楼板设置。

b)横置H型钢可以在保持腹板高度不变的情况下，根据内力大小调整翼

缘宽度和厚度；可避免钢板板材层状撕裂；桁架节点可工厂预制；现场采取节点外全焊接的形式，既提高了桁架极限承载力，又大大减少施工难度。

c)由于平面不规则，转换桁架位于建筑平面中部，且刚度较大，引起结

构抗扭性能变差，竖向侧向刚度突变。应与建筑专业协商，在建筑外围选取有利位置设置带边框剪力墙，提高结构抗扭性能。此外，还应调整桁架层以下楼层的竖向构件尺寸，以减缓侧向刚度和楼层抗剪承载力的突变。

参考文献

[1] 中国建筑科学研究院. GB50011-2010 建筑结构抗震设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社. 2010

[2] 中国建筑科学研究院. JGJ 3-2010 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. 2010

[3] 朱炳寅. 高层建筑混凝土结构技术规程应用与分析JGJ 3-2010[M]. 北京:中国建筑工业出版社. 2013

[4] 浙江省建筑设计研究院. 浙江印刷集团有限公司工业厂房项目超限高层建筑抗震设防专项审查报告[R]. 杭州：浙江省建筑设计研究院, 2015