带多连体的复杂高层结构设计.docx

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 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。 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。 连体之间设置三处中庭 北边3榀 北边2榀 北边1榀 南边1榀 首层为室外车道 六层通高大堂 南边2榀 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，