福建省建筑科學研究院建筑設計生產基地大跨度跨層轉換桁架結構創新設計

劉浩晉 張 濤 李豐晨

（同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海200092）

0 引 言

福建省建筑科學研究院建筑設計生產基地大樓位于福州市高新技術產業開發區旗山大道與學府南路東北方向交匯處，高新大道西側。

生產基地大樓總建筑面積77 564 m2，其中地上建筑面積52 500 m2，地下建筑面積25 064 m2。地上裙房4 層，結構高度19.50 m，為多層建筑，主要功能為試驗室及辦公；主樓17 層，結構高度72.18 m，為A 級高度高層建筑，主要功能為辦公。地下共二層，主要功能為地下停車以及相關設備用房，局部為試驗室。為保證良好的建筑使用功能及效果，地上結構不設置抗震縫形成一個整體結構單元。上部結構采用鋼筋混凝土框架-抗震墻結構體系。

塔樓南立面是整棟建筑的關鍵展示面，為展示建筑靈動、大開大闔的效果，體現令人震撼的建筑沖擊力，建筑底部4 層局部架空形成立面大開洞形式，于地上第五層（下文簡稱桁架層）設置三榀跨度為21.35 m 的轉換桁架以承托上部13 層結構。整體建筑效果如圖1所示。

圖1 建筑效果圖Fig.1 Architectural rendering

轉換桁架承托上部結構層數較多，為本項目結構設計的重點和難點。轉換桁架設計中需考慮一定的豎向地震作用，同時要適當提高其抗震設計性能水準（按中震不屈服設計）。此外尚應為轉換桁架桿件預留適量的安全冗余度。同時還需要重點關注罕遇地震作用下轉換桁架的受力性能，嚴格限制桁架構件塑性發展程度。最后，為避免樓板開裂引起桁架豎向承載力失效，桁架承載力計算時不考慮樓板的有利作用，所有軸力均由桁架弦桿承擔，同時構造性加強桁架弦桿處樓板配筋。

下文重點針對轉換桁架方案比選、節點細部構造設計、轉換桁架施工規劃三個方面闡述本項目轉換桁架設計要點。

1 轉換桁架連接方案比選

1.1 剛性連接方案

上下樓層型鋼混凝土梁作為轉換桁架的上下弦桿，與鋼腹桿一起形成整體的跨層轉換桁架。桁架豎向剛度及承載力較好，構造簡單，施工便利。

豎向承載力良好的跨層桁架同時具有巨大的抗側剛度及抗剪承載力。經計算，下層與桁架層抗剪承載力比為0.53，形成薄弱層。下層與桁架層的抗側移剛度比為0.66，同時形成軟弱層［1-2］。此外，考慮偶然偏心情況時桁架層位移比值通過一系列優化調整后仍高達1.50。出現上述問題主要原因是轉換桁架具有強大豎向承重能力的同時具有過大的水平抗側剛度和承載力。

圖2 轉換桁架剛性連接方案Fig.2 Transfer truss with rigid connection

綜上，轉換桁架與主體結構剛性連接方案使得主體結構在桁架層下層形成嚴重的薄弱層和軟弱層，不滿足規范要求不能同時形成層［1］。同時對結構整體扭轉控制有惡劣的影響，對抗震設計極為不利，不滿足抗震概念設計的要求。而解決此問題的關鍵在于保留轉換桁架豎向承重能力的前提下釋放其水平抗側能力，實現轉換桁架豎向承載功能與主體結構水平抗側功能分離。

1.2 上弦滑動連接方案

為釋放轉換桁架水平抗側能力，避免桁架剛性連接方案的弊端，轉換桁架上弦桿與主體結構框架梁拆分為二，并通過特殊設計的節點實現兩者之間相對可滑動。此方案可在有效保留桁架豎向剛度及承載力的同時釋放其抗側剛度，轉換桁架僅實現結構豎向承載功能，不參與主體結構抗側，結構受力及傳力路徑明確，抗震設計概念清晰。

上弦滑動方案釋放轉換桁架水平抗側能力的同時也帶來一系列設計難點。轉換桁架頂部直接承托總計上部13 層荷載，滑動面處存在巨大的壓力，從而產生較大的水平摩擦力。結構設計過程中不可忽略該水平摩擦力的影響，而較大的水平摩擦力給設計工作帶來苛刻的減摩設計要求。同時，如何實現上弦桿與混凝土梁之間可靠的滑動連接，保證兩者之間不卡軌也是設計的難點。此外，罕遇地震作用下結構樓板往往開裂較嚴重，上層結構難以作為桁架受壓上弦桿的有效側向支撐條件。如何保證罕遇地震作用下轉換桁架受壓弦桿的穩定性，避免其失效引起連續性倒塌也將成為本方案的另一個難點。

圖3 轉換桁架上弦滑動連接方案Fig.3 Transfer truss with top chord sliding connection

綜上，上弦滑動連接方案釋放了轉換桁架水平抗側能力，可以解決剛性連接方案的各種問題。但同時該方案存在滑動面摩擦力過大、滑動節點設計復雜及受壓弦桿穩定性問題。解決這些問題的難度較大且可靠性難以保證。

1.3 下弦滑動連接方案

下弦滑動方案中，轉換桁架受壓上弦桿與上層混凝土梁合二為一組成型鋼混凝土桿件；下層混凝土梁中預留開槽，轉換桁架下弦桿置于開槽內，采用此形式可避免轉換桁架下弦桿對建筑功能產生影響。轉換桁架下弦桿與下層混凝土梁之間留有50 mm 寬縫隙，保證二者不會發生水平接觸或碰撞。下層混凝土梁跨度較大，為減小其內力在轉換桁架下弦處設置僅承受豎向力的托板支撐下層混凝土梁，托板僅承擔該層樓面局部荷載，具體節點構造細節見下文。下弦滑動方案受力簡圖如圖5所示。

圖4 轉換桁架下弦滑動連接方案Fig.4 Transfer truss with bottom chord sliding connection

圖5 下弦滑動連接方案轉換桁架受力模式簡圖Fig.5 Force diagram for transfer truss with bottom chord sliding connection

顯然，下弦滑動方案也可釋放轉換桁架的抗側剛度。托板滑動面處僅存在一層樓面荷載，壓力遠小于上弦滑動方案滑動面壓力，相應的水平摩擦力也較小。故此方案不存在上弦滑動方案中滑動面摩擦力過大、滑動節點設計復雜的問題。轉換桁架上弦桿巧妙的利用型鋼混凝土構件受壓穩定性良好的特性，解決了上弦滑動方案的受壓弦桿穩定性問題。此外，轉換桁架下弦桿置于混凝土梁開槽內，直接增加轉換桁架的有效高度，轉換桁架豎向承載力及剛度更優。

經計算，采用下弦滑動方案，下層與桁架層抗剪承載力比為1.04，抗側剛度比為0.98，消除了剛性連接方案中存在的薄弱層及軟弱層問題。同時桁架層考慮偶然偏心情況層位移角比值僅為1.18。抗震分析整體指標得到極大的改善。對轉換桁架進行靜力推覆分析發現，轉換桁架下弦滑動連接使得其不承擔水平地震作用，罕遇地震作用下轉換桁架各構件均未進入塑性階段。

1.4 轉換桁架數值分析結果

轉換桁架作為本項目受力的關鍵部位，結構設計中不僅需要關注結構整體指標的宏觀變化，同時應注重轉換桁架處受力及細部變形等的數值分析結果。圖6 為剛性連接方案及下弦滑動連接方案兩個整體計算模型中的Y向地震作用下轉換桁架位移對比圖。

圖6 Y向地震作用下轉換桁架變形圖（單位：mm）Fig.6 Deformation of transfer truss under earthquake load in Y direction（unit：mm）

從圖6 中可以看出，剛接方案轉換桁架樓層層間位移角約為0.60 mm，明顯小于下弦滑動連接方案4.00 mm，下弦滑動處理有效釋放水平抗側剛度，避免在轉換桁架處形成過強的抗側剛度。

圖7 為上述兩個方案整體計算模型中的Y向地震作用下轉換桁架軸力對比圖，顯然下弦滑動方案有效釋放了地震作用引起的軸力。

圖7 Y向地震作用下轉換桁架軸力圖（單位：kN）Fig.7 Axial force of transfer truss under earthquake load in Y direction（Unit：kN）

1.5 小結

根據上述分析結果匯各方案優劣勢結果如表1所示。

表1 各方案對比匯總Table 1 Comparison of different schemes

綜上，下弦滑動連接方案釋放了轉換桁架水平抗側能力，解決剛性連接方案的各種問題的同時也避免了上弦滑動連接方案滑動面摩擦力過大、滑動節點設計復雜及受壓弦桿穩定性問題，為本項目的最優方案。但相對而言，下弦滑動方案施工過程略顯復雜，后文對此進行進一步分析。

2 下弦滑動方案節點連接構造

桁架下弦與對應樓層樓面構件連接節點為下弦滑動方案可行的關鍵之處，直接決定下弦滑動連接方案的可實施性。

2.1 下弦桿滑動連接節點方案比選

根據轉換桁架下弦桿與該層樓面梁之間的相對位置關系可將下弦滑動連接分為三種方案：下弦桿外置式、居中式及內置式，如圖8所示。

圖8 下弦桿滑動連接節點方案示意Fig.8 Joint with different layouts

外置式及內置式兩種節點方案可以保證下部混凝土梁為一整體，無須像居中式方案將混凝土梁一分為二。兩種節點方案實際上將轉換桁架偏置，上下層構件平面位置相應的錯位，構造上對轉換桁架兩端的框架柱截面寬度要求更高，如圖9所示。此外，外置式方案轉換桁架上弦型鋼混凝土構件對外立面幕墻結構產生不利影響，故整榀轉換桁架及下部混凝土梁需內退避讓幕墻結構。

圖9 三種節點方案對應的墻身剖面Fig.9 Wall section at joints with different layouts

本項目轉換桁架端部框架柱在底部兩層為躍層柱從而實現入口大堂兩層挑空的沖擊感，故框架柱截面統一性要求較高，截面尺寸受到嚴格限制。本項目采用轉換桁架下弦桿居中式連接方式。

2.2 下弦桿滑動連接節點細部構造

轉換桁架下弦桿與下層樓面梁之間預留50 mm 縫隙；轉換桁架鋼腹桿與下層樓層板之間同樣預留50 mm 縫隙，如圖10 所示。通過上述構造措施，保證罕遇地震作用下轉換桁架下弦桿及腹桿與混凝土結構之間不發生水平接觸。

圖10 下弦桿及腹桿與混凝土結構之間預留縫隙Fig.10 Reserved gap between concrete beam and bottom chord

由于下層混凝土梁跨度達到21.35 m，下弦桿底部設置托板支撐混凝土梁可明顯改善混凝土梁受力條件，大幅減小混凝土梁截面高度。較小的混凝土梁截面可減小巨型混凝土梁的臃腫感，明顯提升建筑外立面效果。

2.3 滑動面摩擦力影響分析

支撐下層混凝土的托板與混凝土之間產生接觸，不可避免在滑動接觸面產生一定的摩擦力。摩擦力的控制成為節點設計的重點。滑動接觸面壓力為一層樓面荷載，其數值相對穩定，不會產生較大的變動也難以通過各項措施減小其大小。摩擦力控制的有效途徑為盡可能減小滑動接觸面摩擦系數。

為最大限度減小托板接觸面摩擦系數，借鑒橋梁支座用高分子材料滑板構造設計［3-4］，托板與混凝土梁之間設置雙層聚四氟乙烯滑板（中間夾1 mm 厚不銹鋼板），同時聚四氟乙烯滑板雙側涂刷5201-2 硅脂（優等品）。其中聚四氟乙烯滑板抗壓強度不低于20 MPa，硅脂應滿足優等品相關要求［5-6］。涂刷硅脂后的聚四氟乙烯滑板與不銹鋼板間摩擦系數低于0.01［6-8］。偏保守取節點摩擦系數為0.01，桁架承托下弦承托下層樓面豎向荷載1 198 kN，摩擦力不大于11.98 kN。桁架層水平地震剪力為16 515.72 kN，摩擦力占樓層地震剪力的0.73‰，可忽略不計。

2.4 托板受力分析

轉換桁架下弦桿處，支撐下層混凝土的托板是保證下層混凝土樓面結構安全的關鍵構件，其受力失效直接引起下層樓蓋結構坍塌，應對其受力進行專項計算分析。

采用ABAQUS 軟件建立托板節點有限元計算模型，其中托板板厚40 mm，鋼材強度等級為Q355B。計算結果如圖11 所示，除應力集中區域外，托板與封頭板交界處Von mises 應力約為224 MPa，托板整體處于彈性階段。應力云圖顯示托板受力與懸臂板受力狀態類似，按懸臂板近似計算托板應力為238 MPa，與有限元應力分析結果接近。此外，應力云圖清晰表明，下層混凝土樓面荷載引起的托板受力集中于下弦桿端部區域，遠離下弦桿軸向受力核心區，結構設計過程中可不考慮其與下弦桿軸向受力的相互影響。

圖11 托板應力云圖Fig.11 Stress contour of steel joint

3 下弦滑動連接方案施工流程規劃

為避免轉換桁架下弦桿對建筑功能產生影響，下弦桿放置于下層混凝土梁預留開槽內，施工過程中不可避免產生交叉作業的情況。細致規劃好相應施工次序也成為下弦滑動方案順利推進的重要內容。具體施工過程規劃如下：

（1）搭設下層混凝土梁模板及腳手架；

（2）桁架下弦桿安放施工，綁扎下層混凝土結構鋼筋；

（3）澆筑下層混凝土（預留各處縫隙）；

（4）施工轉換桁架鋼腹板及上弦桿鋼骨；

（5）搭設上層混凝土模板及腳手架；

（6）綁扎上層結構鋼筋，澆筑上層混凝土；

（7）待上下層混凝土強度均達到設計強度時拆除上下層腳手架。

4 結 語

創新性的下弦滑動連接方案可在保留轉換桁架豎向承載能力的同時釋放其水平抗側能力，解決了傳統的剛性連接方案中轉換桁架抗側剛度過大帶來的一系列問題。同時，下弦滑動方案也可避免上弦滑動連接方案滑動面摩擦力過大、滑動節點設計復雜及受壓弦桿穩定性問題。滑動連接節點為下弦滑動方案設計的關鍵之處，轉換桁架下弦桿居中式連接方式可有效控制框架柱尺寸，保證入口大廳框架柱截面統一性。為解決下層混凝土梁截面高度設置的托板帶來節點摩擦力問題，通過在滑動摩擦面設置雙層聚四氟乙烯滑板（中間夾1 mm 厚不銹鋼板）形式可有效降低摩擦力，使得工程設計中可忽略摩擦力的不利影響。托板有限元分析結果顯示，下層混凝土樓面荷載引起的托板受力集中于下弦桿端部區域，遠離下弦桿軸向受力核心區，結構設計過程中可不考慮其與下弦桿軸向受力的相互影響。同時，托板近似按懸臂板計算即可滿足工程設計精度要求。細致的施工次序規劃進一步增強了下弦滑動方案的可實施性。

通過整體方案設計、局部節點細化及施工流程規劃，全面總結了下弦滑動方案的各項設計要點并給出創新的細化方案，為大跨度轉換結構工程提供了一種新穎的解決思路。