大跨转换桁架结构分析与设计研究

杨正余++孙超

摘 要：转换桁架在现代建筑结构中的应用是较为普遍的，它的结构设计具有较强的优势特点，但是在实际应用过程中其能效发挥却会受到相应因素的影响及制约，一方面桁架在应用中会受到高度的直接限制，另一方面在应用环节并不能一次完成构架转换，而这一应力却都会转换到楼层楼板结构上，这就需要从受力实际情况出发，针对其控制方向对转换桁架的结构形式进行多方面衡量及优化选择。转换桁架并不是独立的结构主体，在应用环节需要配合使用转换柱做支撑。

关键词：转换桁架；结构分析；设计研究

转换桁架的支撑部件与普通的转换柱是大不相同的，其所承受的剪力及应力程度也存在着量化上升特点，在实际应用过程中需要从工程实际情况出发，对其构件强度进行综合对比，并在此基础上实现对应用构件的综合对比，可以采取将端部后端进行连接的方式，实现对荷载力的分化及处理，这样转换柱的的承载力就能相对提升，相对的型钢混凝土转换柱在应用环节所存在的问题也能够得到解决。对转换柱结构荷载力进行科学性分析是必不可少的，除此之外，还应当对其整体做出弹性屈曲分析，从而对其应用水准及性能特征进行综合评估。

一、工程实例阐述

本文就从某工程入手对其大跨转换桁架进行阐述，以期为开展针对性研究提供参考依据。在当今社会，多功能建筑形式普遍存在于各大领域中，它不仅具有商业功能，更涵盖着大面积的办公区域，本文中所举例的建筑工程是由三栋塔楼及配套裙房组成的，裙房层高是7层，每层高度是6米，其中的三四层是酒店宴会厅，这两层之间是具有轴线分布特点的，在宴会厅的上部就是三楼位置，为了拓展宴会厅面积，提升上层建筑的性能优势，就需要在宴会厅最顶端进行结构的转换，与此同时，为了实现结构的最优化处理，应当对其转换位置进行精准衡量及定位。

大小宴会厅平面尺寸分别约为33m×50. 4m和18. 6m×27. 9m，层高为12m，采用单向钢结构桁架进行转换，跨度分别为36m（6 榀）和 27m（2 榀），其中有 2 榀36m 跨度的桁架在右端需要进行二次转换，主桁架跨度分别为 14. 5m和 18m，转换桁架平面布置，桁架上弦与周边楼盖拉结。工程设计使用年限为 50 年，建筑安全等级为二级，抗震设防烈度为 6 度，设计基本地震加速度为0. 04g，建筑场地类别为Ⅲ类，设计地震分组为第一组，特征周期为 0. 45s，抗震设防类别为乙类。

二、结构设计的难点

首先，本工程所應用的桁架与一般桁架相比具有明显的差异性，这主要是因为该桁架不仅要承载三层以上的全部荷载力，其跨度更是呈现出了量化增加的特点，因此本工程所应用的桁架也就是大跨转换桁架；其次，综合工程实际尺寸进行细化衡量及对比可以发现，桁架的设置高度会受到建筑净高的直接影响及制约，这就需要在实际操作时将其高度控制在3.8米之内，允许误差值不能超过2厘米，这时就能够根据跨度长度做出跨高比计算。由于该工程的使用功能方面存在一定的限制性，这也同样决定了上部结构的桁架形式，这就在一定程度上限制了桁架整体的转换功能，因此这就需要将荷载力全部转移到桁架本身，在这一过程中桁架构件所承受的压力就会相对增加，竖向很有可能会出现变形问题。

三、结构概念设计

为减轻转换结构的自重和承担的竖向荷载、增加结构的延性和变形能力，转换结构及上部结构采用钢结构，在钢结构转换桁架两端设置截面尺寸为1. 4m ×1. 4m 或直径为 1. 5m 的型钢混凝土柱，转换构件钢材采用 Q345GJ-C，钢桁架上下弦与型钢柱刚性连接。由于钢桁架跨高比偏小，两端型钢混凝土转换柱的剪力和弯矩很大，采取下弦端部后连接的施工措施，以释放恒载作用下产生的下弦弯矩和对转换柱的剪力，为此，需进行模拟施工加载分析。与桁架上弦相连的相邻跨的梁采用型钢梁，以加强对桁架上弦的拉结能力。

桁架上弦平面外的钢梁与桁架上弦刚接，楼板厚度取 150mm，设次梁把楼板分隔为较小的板块，楼板通过抗剪栓钉与钢梁或桁架上弦连接，以保证楼板的稳定性和结构的整体性。桁架下弦平面内设置水平支撑，间隔 9m 设置与下弦垂直刚性连接的钢梁，提高桁架的整体稳定性。在二次转换区域，于垂直于主桁架的一跨范围内的上下弦平面内分别设置水平支撑，以保证主桁架的平面外稳定性，减小平面外变形。转换桁架跨度大，并承担很大的竖向荷载，分析地震作用时，进行竖向小震和大震时程补充分析。

转换桁架作为宴会厅的顶盖，并支承上部 3 层商业和冬季花园，属于重要结构，在极端情况下需要保证结构的整体稳固性，为此，需进行防连续倒塌分析。上弦受压杆和端部受压斜腹杆承担很大的压力，同时承担较大的弯矩，属于压弯构件，需对其进行单构件屈曲分析，以保证稳定性。在整体弯曲作用下，与上弦相连的楼板压应力水平较高，需对楼板进行局部屈曲分析，评估其在较大压应力作用下的稳定性。

四、桁架立面形式对比与下弦端部后连接设计

为了增加结构的冗余度和稳固性，转换桁架端部两跨的腹杆采用交叉斜腹杆。为了更好地控制桁架变形及内力，选取其中一榀有代表性的转换桁架，对三种立面方案在同条件下进行对比。对挑选出控制方面的最优方案时，就能对竖向变形程度及钢柱剪力进行综合衡量，在做出综合分析后，就可以对桁架转换方案进行最终判断。

在竖向荷载作用下，桁架端部下弦杆承受较大的弯矩和轴力，型钢混凝土转换柱承受较大的弯矩和剪力，且型钢混凝土柱不同于常规框架柱，为大偏心压弯构件。方案初期转换柱采用直径为1200mm的钢管混凝土柱，由于轴力小、弯矩大，发挥不出钢管混凝土的优势，且偏心率过大容易导致管壁和混凝土脱离；最后选择截面尺寸为1.4m×1.4m的型钢混凝土柱，在轴力21000kN和弯矩21000kN·m作用下，考虑受压钢筋标准指数。经计算，等效相对受压区高度系数约等于0.348，可知受压区高度仍偏大，受力性能不太好。

为解决型钢混凝土转换柱相对受压区高度较高的问题，采取端部下弦杆在结构封顶后再连接的方法，释放大部分由恒载产生的型钢混凝土转换柱的弯矩及下弦杆弯矩。第一阶段端部下弦杆不连接，为自重和附加恒载加载、仅承担绝大部分恒载的阶段；第二阶段端部下弦杆连接，为活载加载、承担全部竖向荷载阶段。

型钢混凝土转换柱抗震等级取一级，型钢含钢率不低于5%，对其承载力和抗震性能水准进行分析评估，保证转换柱在大震下处于弹性状态。转换桁架构件主要采用H型钢，便于施工，有利于保证施工质量，仅在跨中上下弦受力较大位置过渡为箱形截面。垂直转换桁架下弦杆设置钢梁与下弦杆刚接，在下弦平面内沿周圈设置水平支撑，在主次转换桁架上下弦位置设置水平支撑，进行转换结构整体弹性屈曲分析，保证转换桁架平面外的稳定性及二次转换部位主桁架平面外的稳定性。

参考文献：

[1] 吴玉华，楼文娟，叶小刚.大跨度钢桁架转换层结构的竖向地震反应分析[J].地震工程与工程振动，2011，31（4）.

[2] 张晓薇.大跨度预应力张弦桁架结构的设计与分析[J].城市建设理论研究：电子版，2013（14）.