广东省轻纺建筑设计院 510080
摘要：结合一栋高层建筑托柱转换层结构设计，通过结构分析计算，分析比较了空腹桁架式、普通桁架式及梁式三种转换结构方案的工作机理和力学特点。分析表明，针对类似的转换结构工程实际，在进行转换层结构设计时，对于梁式转换结构方案可以直接取用高层建筑结构分析程序算出的构件内力进行设计；而对于采用普通桁架或空腹桁架转换结构方案时，应通过对转换结构的局部分析方能得到转换构件的详细内力。工程设计中对于本文所述的节间杆长细比较小的托柱转换结构，建议分别采用杆系有限元模型和普通有限元模型两种分析方法进行局部转换结构的内力与变形分析。除此以外，本文还提出了相应的设计建议，供设计人员参考。文章旨在与同行互相交流、共同进步。
关键词：转换结构；力学分析；设计建议
一、工程背景及转换结构方案
某一高层建筑下部为框筒结构，上部为周边密柱空腹筒、中间核心实腹筒的筒中筒结构。该建筑包括地下室2 层，地上38 层。其中地上6 层为酒店，柱距为10.4m；第七层为转换层并兼设备层；7 层以上为办公楼，柱距改3.6m+3.4m +3.6m。为了实现这种结构柱距的转换并考虑将来建筑功能的安排，可考虑包括梁式、空腹桁架式（不带斜腹杆）以及普通桁架式（带斜腹杆）三种转换结构方案。在初选转换层构件尺寸时，先按梁式转换层方案进行结构整体计算（采用空间分析程序TBSA 或TAT），算出转换梁所受设计剪力V 后初步再按下式（1）估算转换梁的截面尺寸，从而进一步初选转换桁架杆件的截面尺寸。考虑到转换层上部所承托框架柱的截面尺寸为1200mm ×1200mm，故各转换层构件的截面
宽度取b =1200mm。三种转换结构情况如图1 所示，本工程转换层构件的砼等级为C45。下面就这三种转换结构的结构分析方法、各转换结构方案的受力机理与特点等进行计算分析比较。
V =0 .2f cbh
式中：f c为转换构件砼抗压强度设计值，N/mm2；b、h为转换构件截面宽度和截面高度，mm。
二、关于分析模型及分析方法
2.1 分析模型的选取
为了在分析时考虑转换层上部和下部结构对转换层受力的影响，根据文献[1]、[2]，本文分析模型选取转换层上部3 层及下部1 层（图1）。上部作用
力取结构整体分析得出的上部框架柱轴向力。
2.2 分析方法的讨论与比较
转换层分析主要是为了计算出各转换构件的内力，只有准确地算出各转换构件所承受力的大小，才能对其进行可靠的设计。因此，选择合适的转换层分析方法是非常重要的。上述三种转换层方案中的转换构件都承受较大的轴向力，为了计算出构件轴向力的大小并能进一步探讨各转换结构方案的结构性能，下面以空腹桁架为例，分别采用杆系有限元模型和普通有限单元模型计算并进行比较。部分构件的内力计算结构见表1，其中轴力取拉力为正，压力为负。
对比表1 中两种分析方法的计算结果可以看出：
（1）按上述两种分析方法计算，转换层上、下弦杆在同一截面处（如3、6 杆左端处）的剪力之和基本相等（普通有限方法的Σ V =9258 +3033 =12291kN，杆系模型ΣV =7874 +4804 =12678kN），表明本文两种分析方法的计算结果是可靠的。
（2）两种分析方法计算的各转换构件内力结果有所不同。普通有限元法算出的下弦杆内力普遍比杆系方法的结果大；而上弦杆各内力中，两种方法互
有大小，说明本文所述空腹桁架转换层按普通有限元模型和按杆系有限元模型计算出的各转换构件内力是存在一定差异的。
（3）在图2 中，对于空腹转换桁架的下弦杆（杆1、2、3），普通有限元模型算出的弯矩、轴力（拉）和剪力都比杆系模型算出的数值大，可认为普通有限元
结果对下弦杆更为不利；对于空腹转换桁架的上弦杆（杆4、5、6），则杆系模型算出的弯矩和剪力大出很多，轴力虽略小，但由于是轴向压力，所以最终杆
系模型计算结果对上弦杆更为不利。
（4）综合两种方法的计算结果对比，可以看出两种计算方法的结果存在一些差异。该计算模型代表着具体的工程特点，如本工程转换结构模型的桁架杆件长细比相对较小，尤其下弦杆就其单个节间考虑已接近深梁情况。所以，本文认为，在这种具体情况下，工程设计中宜参考上述两种分析模型的结果来对转换层构件进行分析设计。而对于较为明显的杆系结构转换层（杆件长细比较大），可直接采用杆系有限元模型进行分析并依此进行设计。
三、各转换结构方案的力学特点及比较
为了对各转换结构方案进行结构性能分析比较，本文提出如下几个分析参数m0、n0、v0，各参数的物理意义如下：
m0 =M/（f cbh2 0）
n0 =N/（f cbh）
v0 =V/（f cbh）
此外根据设计经验[2-5]，转换结构构件的截面尺寸往往受抗剪承载力确定，由于上述各转换结构方案中转换构件都承受一定的轴向力，为了在确定构件截面尺寸时考虑轴向力对其抗剪承载力的有利或不利影响，本文提出一个等效设计剪力的概念，用V＊表示。其中等效设计剪力V＊根据转换构件受拉或受压分别按下式计算：转换构件受拉时：V＊ =V +0 .2N（5）转换构件受压时：
V＊ =V +0 .07N
式中N 表示构件所受拉、压力的设计值。构件受拉时取正值，受压时取负值。为便于进一步分析对比，再引入一个分析参数v＊0，v＊0 称之为剪应力特征值，
其取值如下：v ＊0 =V＊/（f cbh）（7）
3.1各转换结构方案中构件的受力性能比较
桁架转换层、空腹桁架转换层和梁式转换层按普通有限元模型计算并得到各杆件内力的计算结果，然后按公式（2）～（4）及公式7计算出部分杆件的分析参数。最后计算结果见表2 和表3。杆件的编号示意分别如图（3）～（4）所示。分析对比两表的计算结果可以发现以下规律：
3.1.1 转换构件的内力分布特点
空腹桁架式转换结构和普通桁架转换结构上、下弦杆的弯矩和剪力都较大，轴力也很大，并且上弦杆皆受压，下弦杆皆受拉（如两转换方案中下弦2 号杆的n0 值分别为0 .154 和0 .191，上弦5 号杆的n0值分别为-0 .409 和-0 .468），表明空腹桁架转换结构和普通桁架转换结构及其它们的构件表现为刚架（杆）兼有桁架（杆）的受力特点。梁式转换层中转换梁的弯矩和剪力较大，轴力相对较小（n0 绝对值小于5 %）且为轴向压力，故其受力特征基本同普通梁。
3.1.2 空腹桁架式转换结构和普通桁架转换结构比较
空腹桁架转换结构增加斜腹杆变成普通桁架转换结构后，转换结构的受力机理发生了改变，转换结构构件的内力产生重新分配。对比表2 两方案的计算结果可见：①两侧上、下弦杆（杆1、3、4、6）的弯矩和剪力降低很多，其中弯矩平均降低50 %以上，剪力也平均降低30 %，轴力变化为上弦杆轴向压力减小，
下弦杆轴向拉力增大；②中间上、下弦杆（杆2、5）内力中弯矩减小，轴力增大，引起设计人员特别注意的是中间下弦杆（杆2）的剪力增大很多（空腹桁架的v0和v
＊0 分别为0 .000 和0 .033，普通桁架的v0 和v＊0分别为0 .199 和0 .237），比普通桁架转换方案两侧下弦杆中的剪力还要大，变成了下弦杆截面设计的
控制杆。同时，若考虑轴向拉力对抗剪承载力的不利影响，其v＊0值比空腹架两侧下弦杆的v＊0值也稍大。
3.2、各转换方案开裂荷载的比较
表4中给出了各转换结构方案中部分转换构件边缘最大拉应力值，由表中结果可以看出，空腹桁架转换结构方案和普通桁架转换方案都是两侧下弦杆（杆1、3）支座上部首先出现裂缝，转换梁则是跨中下部首先开裂。对于三种转换方案，在相同上部荷载作用下，空腹桁架转换结构方案最先开裂，其次是普通桁架转换结构方案，最后是梁式转换结构方案，即梁式转换结构方案开裂荷载最大。
虽然空腹桁架转换结构方案加斜杆形成普通桁架转换方案后，下弦杆开裂荷载增大了20%。但开裂荷载仍然只有转换梁方案的53%。因此，这两种转换方案的下弦都应考虑采用预应力或部分预应力砼来加强下弦杆的抗裂能力。
四、结论及建议
通过对上述三种转换结构方案的计算分析与比较，可以总结出以下初步结论和设计建议：
（1）针对类似的转换结构工程实际，在进行转换层结构设计时，对于梁式转换结构方案可以直接取用高层建筑结构分析程序算出的构件内力进行设计；而对于采用普通桁架或空腹桁架转换结构方案时，由于其转换构件中承受较大的轴向力，因此，只有通过局部转换结构分析方能得到转换构件的全部内力。工程设计中对于本文所述的节间杆长细比较小的托柱转换结构，建议分别采用杆系有限元模型和普通有限元模型两种分析方法进行局部转换结构的内力与变形分析。
参考文献：
[1] 娄宇，魏琏.高层建筑中转换层结构的应用和发展[J] .建筑结构，1997（1）：21 -26，41 .
[2] 傅传国.梁式转换层设计中一些问题的处理[J] .山东建筑工程学院学报，1997，12（1）：9-14.
[3] 赵玉祥.钢筋混凝土高层建筑设计中若干问题的探讨[J] .建筑结构学报，1998，19（2）：12 -22.
[4] 王祖华，吴勇明.多高层建筑中转换结构体系[J] .建筑结构，1994（12）：11 -17.
[5] 程懋坤.关于高层建筑结构设计的一些建议[J] .建筑结构学报，1997，18（2）：2 -12.
论文作者:张保华
论文发表刊物:《基层建设》2015年34期
论文发表时间:2016/10/17
标签：桁架论文; 结构论文; 构件论文; 下弦论文; 方案论文; 内力论文; 剪力论文; 《基层建设》2015年34期论文;