福建省建筑科学研究院建筑设计生产基地大跨度跨层转换桁架结构创新设计

刘浩晋 张 涛 李丰晨

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

0 引 言

福建省建筑科学研究院建筑设计生产基地大楼位于福州市高新技术产业开发区旗山大道与学府南路东北方向交汇处，高新大道西侧。

生产基地大楼总建筑面积77 564 m2，其中地上建筑面积52 500 m2，地下建筑面积25 064 m2。地上裙房4 层，结构高度19.50 m，为多层建筑，主要功能为试验室及办公；主楼17 层，结构高度72.18 m，为A 级高度高层建筑，主要功能为办公。地下共二层，主要功能为地下停车以及相关设备用房，局部为试验室。为保证良好的建筑使用功能及效果，地上结构不设置抗震缝形成一个整体结构单元。上部结构采用钢筋混凝土框架-抗震墙结构体系。

塔楼南立面是整栋建筑的关键展示面，为展示建筑灵动、大开大阖的效果，体现令人震撼的建筑冲击力，建筑底部4 层局部架空形成立面大开洞形式，于地上第五层（下文简称桁架层）设置三榀跨度为21.35 m 的转换桁架以承托上部13 层结构。整体建筑效果如图1所示。

图1 建筑效果图Fig.1 Architectural rendering

转换桁架承托上部结构层数较多，为本项目结构设计的重点和难点。转换桁架设计中需考虑一定的竖向地震作用，同时要适当提高其抗震设计性能水准（按中震不屈服设计）。此外尚应为转换桁架杆件预留适量的安全冗余度。同时还需要重点关注罕遇地震作用下转换桁架的受力性能，严格限制桁架构件塑性发展程度。最后，为避免楼板开裂引起桁架竖向承载力失效，桁架承载力计算时不考虑楼板的有利作用，所有轴力均由桁架弦杆承担，同时构造性加强桁架弦杆处楼板配筋。

下文重点针对转换桁架方案比选、节点细部构造设计、转换桁架施工规划三个方面阐述本项目转换桁架设计要点。

1 转换桁架连接方案比选

1.1 刚性连接方案

上下楼层型钢混凝土梁作为转换桁架的上下弦杆，与钢腹杆一起形成整体的跨层转换桁架。桁架竖向刚度及承载力较好，构造简单，施工便利。

竖向承载力良好的跨层桁架同时具有巨大的抗侧刚度及抗剪承载力。经计算，下层与桁架层抗剪承载力比为0.53，形成薄弱层。下层与桁架层的抗侧移刚度比为0.66，同时形成软弱层［1-2］。此外，考虑偶然偏心情况时桁架层位移比值通过一系列优化调整后仍高达1.50。出现上述问题主要原因是转换桁架具有强大竖向承重能力的同时具有过大的水平抗侧刚度和承载力。

图2 转换桁架刚性连接方案Fig.2 Transfer truss with rigid connection

综上，转换桁架与主体结构刚性连接方案使得主体结构在桁架层下层形成严重的薄弱层和软弱层，不满足规范要求不能同时形成层［1］。同时对结构整体扭转控制有恶劣的影响，对抗震设计极为不利，不满足抗震概念设计的要求。而解决此问题的关键在于保留转换桁架竖向承重能力的前提下释放其水平抗侧能力，实现转换桁架竖向承载功能与主体结构水平抗侧功能分离。

1.2 上弦滑动连接方案

为释放转换桁架水平抗侧能力，避免桁架刚性连接方案的弊端，转换桁架上弦杆与主体结构框架梁拆分为二，并通过特殊设计的节点实现两者之间相对可滑动。此方案可在有效保留桁架竖向刚度及承载力的同时释放其抗侧刚度，转换桁架仅实现结构竖向承载功能，不参与主体结构抗侧，结构受力及传力路径明确，抗震设计概念清晰。

上弦滑动方案释放转换桁架水平抗侧能力的同时也带来一系列设计难点。转换桁架顶部直接承托总计上部13 层荷载，滑动面处存在巨大的压力，从而产生较大的水平摩擦力。结构设计过程中不可忽略该水平摩擦力的影响，而较大的水平摩擦力给设计工作带来苛刻的减摩设计要求。同时，如何实现上弦杆与混凝土梁之间可靠的滑动连接，保证两者之间不卡轨也是设计的难点。此外，罕遇地震作用下结构楼板往往开裂较严重，上层结构难以作为桁架受压上弦杆的有效侧向支撑条件。如何保证罕遇地震作用下转换桁架受压弦杆的稳定性，避免其失效引起连续性倒塌也将成为本方案的另一个难点。

图3 转换桁架上弦滑动连接方案Fig.3 Transfer truss with top chord sliding connection

综上，上弦滑动连接方案释放了转换桁架水平抗侧能力，可以解决刚性连接方案的各种问题。但同时该方案存在滑动面摩擦力过大、滑动节点设计复杂及受压弦杆稳定性问题。解决这些问题的难度较大且可靠性难以保证。

1.3 下弦滑动连接方案

下弦滑动方案中，转换桁架受压上弦杆与上层混凝土梁合二为一组成型钢混凝土杆件；下层混凝土梁中预留开槽，转换桁架下弦杆置于开槽内，采用此形式可避免转换桁架下弦杆对建筑功能产生影响。转换桁架下弦杆与下层混凝土梁之间留有50 mm 宽缝隙，保证二者不会发生水平接触或碰撞。下层混凝土梁跨度较大，为减小其内力在转换桁架下弦处设置仅承受竖向力的托板支撑下层混凝土梁，托板仅承担该层楼面局部荷载，具体节点构造细节见下文。下弦滑动方案受力简图如图5所示。

图4 转换桁架下弦滑动连接方案Fig.4 Transfer truss with bottom chord sliding connection

图5 下弦滑动连接方案转换桁架受力模式简图Fig.5 Force diagram for transfer truss with bottom chord sliding connection

显然，下弦滑动方案也可释放转换桁架的抗侧刚度。托板滑动面处仅存在一层楼面荷载，压力远小于上弦滑动方案滑动面压力，相应的水平摩擦力也较小。故此方案不存在上弦滑动方案中滑动面摩擦力过大、滑动节点设计复杂的问题。转换桁架上弦杆巧妙的利用型钢混凝土构件受压稳定性良好的特性，解决了上弦滑动方案的受压弦杆稳定性问题。此外，转换桁架下弦杆置于混凝土梁开槽内，直接增加转换桁架的有效高度，转换桁架竖向承载力及刚度更优。

经计算，采用下弦滑动方案，下层与桁架层抗剪承载力比为1.04，抗侧刚度比为0.98，消除了刚性连接方案中存在的薄弱层及软弱层问题。同时桁架层考虑偶然偏心情况层位移角比值仅为1.18。抗震分析整体指标得到极大的改善。对转换桁架进行静力推覆分析发现，转换桁架下弦滑动连接使得其不承担水平地震作用，罕遇地震作用下转换桁架各构件均未进入塑性阶段。

1.4 转换桁架数值分析结果

转换桁架作为本项目受力的关键部位，结构设计中不仅需要关注结构整体指标的宏观变化，同时应注重转换桁架处受力及细部变形等的数值分析结果。图6 为刚性连接方案及下弦滑动连接方案两个整体计算模型中的Y向地震作用下转换桁架位移对比图。

图6 Y向地震作用下转换桁架变形图（单位：mm）Fig.6 Deformation of transfer truss under earthquake load in Y direction（unit：mm）

从图6 中可以看出，刚接方案转换桁架楼层层间位移角约为0.60 mm，明显小于下弦滑动连接方案4.00 mm，下弦滑动处理有效释放水平抗侧刚度，避免在转换桁架处形成过强的抗侧刚度。

图7 为上述两个方案整体计算模型中的Y向地震作用下转换桁架轴力对比图，显然下弦滑动方案有效释放了地震作用引起的轴力。

图7 Y向地震作用下转换桁架轴力图（单位：kN）Fig.7 Axial force of transfer truss under earthquake load in Y direction（Unit：kN）

1.5 小结

根据上述分析结果汇各方案优劣势结果如表1所示。

表1 各方案对比汇总Table 1 Comparison of different schemes

综上，下弦滑动连接方案释放了转换桁架水平抗侧能力，解决刚性连接方案的各种问题的同时也避免了上弦滑动连接方案滑动面摩擦力过大、滑动节点设计复杂及受压弦杆稳定性问题，为本项目的最优方案。但相对而言，下弦滑动方案施工过程略显复杂，后文对此进行进一步分析。

2 下弦滑动方案节点连接构造

桁架下弦与对应楼层楼面构件连接节点为下弦滑动方案可行的关键之处，直接决定下弦滑动连接方案的可实施性。

2.1 下弦杆滑动连接节点方案比选

根据转换桁架下弦杆与该层楼面梁之间的相对位置关系可将下弦滑动连接分为三种方案：下弦杆外置式、居中式及内置式，如图8所示。

图8 下弦杆滑动连接节点方案示意Fig.8 Joint with different layouts

外置式及内置式两种节点方案可以保证下部混凝土梁为一整体，无须像居中式方案将混凝土梁一分为二。两种节点方案实际上将转换桁架偏置，上下层构件平面位置相应的错位，构造上对转换桁架两端的框架柱截面宽度要求更高，如图9所示。此外，外置式方案转换桁架上弦型钢混凝土构件对外立面幕墙结构产生不利影响，故整榀转换桁架及下部混凝土梁需内退避让幕墙结构。

图9 三种节点方案对应的墙身剖面Fig.9 Wall section at joints with different layouts

本项目转换桁架端部框架柱在底部两层为跃层柱从而实现入口大堂两层挑空的冲击感，故框架柱截面统一性要求较高，截面尺寸受到严格限制。本项目采用转换桁架下弦杆居中式连接方式。

2.2 下弦杆滑动连接节点细部构造

转换桁架下弦杆与下层楼面梁之间预留50 mm 缝隙；转换桁架钢腹杆与下层楼层板之间同样预留50 mm 缝隙，如图10 所示。通过上述构造措施，保证罕遇地震作用下转换桁架下弦杆及腹杆与混凝土结构之间不发生水平接触。

图10 下弦杆及腹杆与混凝土结构之间预留缝隙Fig.10 Reserved gap between concrete beam and bottom chord

由于下层混凝土梁跨度达到21.35 m，下弦杆底部设置托板支撑混凝土梁可明显改善混凝土梁受力条件，大幅减小混凝土梁截面高度。较小的混凝土梁截面可减小巨型混凝土梁的臃肿感，明显提升建筑外立面效果。

2.3 滑动面摩擦力影响分析

支撑下层混凝土的托板与混凝土之间产生接触，不可避免在滑动接触面产生一定的摩擦力。摩擦力的控制成为节点设计的重点。滑动接触面压力为一层楼面荷载，其数值相对稳定，不会产生较大的变动也难以通过各项措施减小其大小。摩擦力控制的有效途径为尽可能减小滑动接触面摩擦系数。

为最大限度减小托板接触面摩擦系数，借鉴桥梁支座用高分子材料滑板构造设计［3-4］，托板与混凝土梁之间设置双层聚四氟乙烯滑板（中间夹1 mm 厚不锈钢板），同时聚四氟乙烯滑板双侧涂刷5201-2 硅脂（优等品）。其中聚四氟乙烯滑板抗压强度不低于20 MPa，硅脂应满足优等品相关要求［5-6］。涂刷硅脂后的聚四氟乙烯滑板与不锈钢板间摩擦系数低于0.01［6-8］。偏保守取节点摩擦系数为0.01，桁架承托下弦承托下层楼面竖向荷载1 198 kN，摩擦力不大于11.98 kN。桁架层水平地震剪力为16 515.72 kN，摩擦力占楼层地震剪力的0.73‰，可忽略不计。

2.4 托板受力分析

转换桁架下弦杆处，支撑下层混凝土的托板是保证下层混凝土楼面结构安全的关键构件，其受力失效直接引起下层楼盖结构坍塌，应对其受力进行专项计算分析。

采用ABAQUS 软件建立托板节点有限元计算模型，其中托板板厚40 mm，钢材强度等级为Q355B。计算结果如图11 所示，除应力集中区域外，托板与封头板交界处Von mises 应力约为224 MPa，托板整体处于弹性阶段。应力云图显示托板受力与悬臂板受力状态类似，按悬臂板近似计算托板应力为238 MPa，与有限元应力分析结果接近。此外，应力云图清晰表明，下层混凝土楼面荷载引起的托板受力集中于下弦杆端部区域，远离下弦杆轴向受力核心区，结构设计过程中可不考虑其与下弦杆轴向受力的相互影响。

图11 托板应力云图Fig.11 Stress contour of steel joint

3 下弦滑动连接方案施工流程规划

为避免转换桁架下弦杆对建筑功能产生影响，下弦杆放置于下层混凝土梁预留开槽内，施工过程中不可避免产生交叉作业的情况。细致规划好相应施工次序也成为下弦滑动方案顺利推进的重要内容。具体施工过程规划如下：

（1）搭设下层混凝土梁模板及脚手架；

（2）桁架下弦杆安放施工，绑扎下层混凝土结构钢筋；

（3）浇筑下层混凝土（预留各处缝隙）；

（4）施工转换桁架钢腹板及上弦杆钢骨；

（5）搭设上层混凝土模板及脚手架；

（6）绑扎上层结构钢筋，浇筑上层混凝土；

（7）待上下层混凝土强度均达到设计强度时拆除上下层脚手架。

4 结 语

创新性的下弦滑动连接方案可在保留转换桁架竖向承载能力的同时释放其水平抗侧能力，解决了传统的刚性连接方案中转换桁架抗侧刚度过大带来的一系列问题。同时，下弦滑动方案也可避免上弦滑动连接方案滑动面摩擦力过大、滑动节点设计复杂及受压弦杆稳定性问题。滑动连接节点为下弦滑动方案设计的关键之处，转换桁架下弦杆居中式连接方式可有效控制框架柱尺寸，保证入口大厅框架柱截面统一性。为解决下层混凝土梁截面高度设置的托板带来节点摩擦力问题，通过在滑动摩擦面设置双层聚四氟乙烯滑板（中间夹1 mm 厚不锈钢板）形式可有效降低摩擦力，使得工程设计中可忽略摩擦力的不利影响。托板有限元分析结果显示，下层混凝土楼面荷载引起的托板受力集中于下弦杆端部区域，远离下弦杆轴向受力核心区，结构设计过程中可不考虑其与下弦杆轴向受力的相互影响。同时，托板近似按悬臂板计算即可满足工程设计精度要求。细致的施工次序规划进一步增强了下弦滑动方案的可实施性。

通过整体方案设计、局部节点细化及施工流程规划，全面总结了下弦滑动方案的各项设计要点并给出创新的细化方案，为大跨度转换结构工程提供了一种新颖的解决思路。