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内蒙古呼和浩特某大厦的主楼16层,地下一层。在入口处底部三层抽掉两根边柱,在四层设置了一个转换桁架,桁架立面见图一。拟建场地的抗震设防烈度为8度,主楼底部四层的抗震设防类别为乙类,四层以上的设防类别为丙类。设计基本地震加速度值为0.20g,所属的设计地震分组为第一组,场地特征周期值为0.35s,地震影响系数最大值0.16。转换桁架及转换柱的抗震等级为特一级。钢柱、桁架杆件的组装焊缝,对接焊缝均为完全熔透焊缝,焊缝采用一级焊缝。
在超限高层抗震审查的过程中,当地抗震专家要求,局部转换桁架为关键构件,大震下满足第4性能水准,即满足罕遇地震下正截面抗弯承载力不屈服。
转换桁架既是竖向承重构件,又是水平抗侧力构件,桁架的上、下弦杆分别设在转换层的上下楼面层内,层间设有腹杆,各杆件主要承受轴向力。采用桁架转换结构具有很多优点:首先它的受力明确,传力途径清楚,构件设计简单。其次,桁架转换结构更容易满足建筑功能的要求。转换桁架的构件截面尺寸相对较小,因此能够得到较大的建筑空间和层高,这使得它的通风和采光条件好,同时也有利于大型管道及设备系统的灵活布置。另外,转换桁架的自重和抗侧刚度要比转换梁小,其质量和刚度的突变要比具有转换梁的高层建筑缓和,因此,地震反应要比转换梁结构小的多。但桁架转换结构也有其缺点:桁架节点受力状态复杂,容易发生剪切脆性破坏,节点的设计和施工难度较大。
2整体分析
对于带桁架转换层的空间结构,尤其是对于带斜腹杆的桁架转换,由于腹杆的存在改变了力的传递,不仅腹杆中存在较大的轴力和变形,上下弦杆中也存在较大的轴力。尤其是一些桁架,由于斜腹杆的卸载作用,下弦杆中存在很大的轴拉力,因此若仍采用刚性楼板假设,对于上下弦杆按梁单元电算得到的配筋没有考虑弦杆中存在的轴力,是非常不安全的。因此刚性楼板假设完全不适用于桁架转换层的计算。
由文献[1]可知:对于桁架形式的转换层,精确的计算方法是取消楼板平面內刚度无限大的假设,考虑梁板的实际刚度计算梁板的变形和内力,轴力按照上下弦杆与相连楼板的有效刚度分配,梁板作为拉弯或压弯构件去考虑,再按照规范规定进行组合并配筋
本转换桁架的斜撑采用H型钢,主要承担轴向压力和拉力。上下弦和立杆采用型钢混凝土,以便与周边的混凝土框架梁、柱连接。为了满足H型钢弱轴方向在压力的作用下的稳定要求,需要考虑斜撑交点处为弱轴相交,但是斜撑与上下弦和立杆必须是强轴相交。为此在该处设置了一个转换节点,相见图三。
由文献[2]可知:在型钢混凝土构件的破坏试验的开始阶段,荷载值相对较小,加载端和自由端均无滑移产生吗。当荷载增大到最大荷载的 40%~80% 时,加载端出现滑移,翼缘混凝土保护层厚度较小的试件在加载端侧面出现裂缝,而保护层较大的试件未出现裂缝。继续增加荷载,加载端滑移得到充分发展,裂缝迅速扩展,从加载端贯通至自由端,并且在加载端和自由端形成细小的分支裂缝,而其他侧面则出现新的纵向劈裂裂缝。当达到最大荷载时,荷载突然下降20%~40%,加载端滑移迅速发展,自由端也开始滑移。随着加载端和自由端滑移的迅速增加,荷载下降却相对缓慢,最后趋于水平,形成一个明显的台阶,此时裂缝发展迅速,裂缝宽度逐渐加大,侧面的分支裂缝相互贯通,最后加载端角部混凝土出现大片剥落。由此可见,型钢与混凝土之间的黏结作用是型钢混凝土结构承载受力的基本前提。
为了保证型钢与混凝土之间的粘结,需要在型钢上需设置抗剪螺栓。可按弹性方法计算型钢翼缘外表面处的剪应力相应于该剪应力的剪力由栓钉承担。实际设计过程中,混凝土范围内的弦杆(包括斜杆)的上、下翼缘以及竖杆的翼缘应布置栓钉,栓钉采用φ19@150(双排),栓钉高度均为100。
结 语
通过对结构整体建模、分别按照多遇和罕遇地震作用下进行整体计算和分析。从结构整体刚度验算,桁架内力分析、梁柱节点抗震验算和主要节点构造等几个方面进行设计,满足关键构件的抗震目标和国家现行规范中各项设计指标的要求,从而达到安全、经济的目的。