杭州钓鱼台酒店型钢混凝土转换桁架的设计.pdf

浙 江建 筑 ， 第 3 2卷 ， 第 1 2期 ， 2 0 1 5年 1 2月 Z h e j i a n g C o n s t r u c t i o n ，V o 1 3 2 ，N o 1 2 ，D e c 2 0 1 5 杭 州钓 鱼台酒店型钢混凝土转换桁架 的设计 De s ig n o f t h e Tr a n s f o r ma t i o n Tr u s s t o Se c t i o n St e e l Co n c r e t e o f Di a o Yu Ta i Ho t e l i n Ha n g z h o u 顾 宏 达 GU Ho n gd a ( 杭州市建筑设计研究院有限公司 ， 浙江 杭州 3 1 0 0 1 6 ) 摘 要 ： 杭州钓鱼台酒店的宴会厅无 柱建筑 面积约 1 0 0 0 m ， 部分框架柱需要通过转换结 构来实现 。在此通过对转 换结构进 行分析 比较 ， 选定合适的转换桁架进行设计 ， 并 提出型钢混凝土拉弯构件 的近似设计方法 。 关键词 ： 型钢混凝土 ； 转换桁架 ； 拉弯构件设计 中图分类号 ： T U 9 7 3 文献标 志码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 83 7 0 7 ( 2 0 1 5 ) 1 2 0 0 1 8 0 3 转换 结构 构件 可 以采用 转换梁 、 转 换桁架 、 箱 型 结构 、 斜撑等 ， 设计师应根据工程实际情况选择合理 的转 换结 构形 式 。杭州钓 鱼酒 店工 程转 换构 件 承受 的上 部荷 载较 大 ， 且 转 换 构 件 跨 度 达 2 4 m， 因 此 我 们选用转换桁架作为转换构件。通过三种转换桁架 结构方案的对 比分析 ， 确定桁架形式 ， 并对这类结构 提 出一些 看法 和建 议 。 1 工 程 概 况 杭 州钓 鱼 台酒 店 位 于杭 州 市 钱 江 新 城 C B D 核 心 区域 A1 1 、 1 2地 块 。酒 店 东 南 沿 钱 塘 江 ， 西 侧 和 南侧环抱森林公 园及城市阳台， 北 临市 民中心和杭 州 大剧 院 。酒店 地 面 以 上 由两 幢 各 1 7层 的 塔 楼组 成 ， 屋面标 高 7 4 7 5 m， 两幢塔 楼 于 1 4层 以上设 置 4 层 高的钢 结构 空 中连廊 ， 跨 度 约 为 2 9 m。双塔 底 部 设 4层 裙 房 ， 其 中 1 3层 为酒 店 辅 助 用 房 ， 层 高 均 为 4 9 5 m， 4层 为设 备转换 层 ， 层高 为 2 1 5 m。地 下 4层 ， 用于酒店后勤、 设备用房、 汽车库等。 2转换结构背景 本 工程 裙房 3层处 要求 设 置 l 0 0 0 m 无 柱 宴会 厅 ， 因此 两侧 塔楼 在 3层 处各 有 3根 主楼 的边 框 架 柱不能 连续 ， 需 要 设 置 结 构转 换 构 件 。上部 两 塔 楼 之间的钢结构连廊 以塔楼两侧边框架柱为搁置点 ， 2 9 m跨连廊所有荷载均通 过塔楼边框架柱传递到 转换 结构 上 ， 转 换结 构 承受 的荷 载较 大 ， 且 转换 结构 跨度 达到 2 4 m。因此 ， 本工 程 的 转换 结 构设 计 是 一 个重 点 和难 点 ， 对 整 个 建筑 物 的安 全 起 着 至关 重要 的作用。若采用普通框支梁作为转换构件 ， 截面非 常大 ， 且这种结构受力模式类似深梁 ， 传力途径不明 确 ， 则对结构安全不利 。我们选定采用转换桁架作 为转换构件 ， 来实现本建 筑使用功能上 的需求 ， 桁架上下弦杆分别设置在 4层和 5层的楼层标高处 ( 图 1 ) ， 为清楚 看 到转换 结构 的情 况 ， 裙房 的部 分 框 架 已隐去 ， 且 转 换 桁 架 所 在 的 一 榀 框 架 也 用 深 色 示 意 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 92 3 作者简介 ： 顾宏达 ( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 浙江杭州人 ， 高级工程 师， 从事建筑结构设计工作 。 第 l 2期 顾宏达： 杭州钓鱼台酒店型钢混凝土转换桁架的设计 1 9 图 1结 构 模 型 示 意 图 3转换桁架设计 由 于 本 工 程 中转 换 桁 架 属 于 特 别 重 要 结 构 构 件 ， 因此 ， 我们在设计中将转换桁架抗震等级提高一 级 ， 考虑竖 向地震作用 ， 并以中震弹性为该构件结构 抗震性能设计 指标 ， 设 计软件 主要采 用 MI D A S - b u i l d i n g和 MI D A S G E N。在确定了以转换桁架作为 转 换构 件后 ， 我 们需 要解 决桁 架 的形式 、 杆 件材 料 以 及 各构 件 的具体 设计 等 问题 。 3 1 转换 桁 架形式 确 定 3 1 1 转换 桁架 方 案 一 由于 主 体 结 构 为混 凝 土 结构 ， 所 以转换桁架首先考虑为混凝土结构 ， 即桁架 的上 下弦 杆 以及 腹 杆均 采用 普通 混凝 土构 件 。但是 通过建模计算发现 ， 荷载作用下桁架下弦杆及 部分 受拉 腹杆 的轴 力过 大 ， 配钢筋 面 积非 常大 ， 甚 至 出现 了超筋的情况 。另外 ， 在普通框架结构的节点区内， 通常只有水平方向的梁钢筋和竖直方 向的柱钢 筋， 而在转换桁架节点处还存 在桁架腹杆 内的纵 向钢 筋 ， 部分桁架节点存 在四个方 向的钢筋在同一 节点 区交错甚至锚固的情况 ， 多 向交错 ( 锚固) 的钢筋排 布使得节点区混凝土浇筑 困难 ， 施工质量难以得到 保 证 。 3 1 2 转 换桁 架方 案二 我 们 尝 试 采 用 型 钢 混凝 土桁架， 利用型钢来抵抗拉应力 。通过对计算结 果分析发现 ， 相 比混凝土桁架 ， 由于各杆件 内的拉力 主要 由型钢承担 ， 型钢混凝 土桁架各构件的配筋量 大 幅减 少 。但是 ， 由于构件 内型钢 的存 在 ， 许 多钢 筋 被 型 钢翼缘 板 打断 ， 节 点 区 内可 供 排 布 钢筋 的空 间 也 大 幅减 小 ， 在钢筋 四向交错 的节点处 ， 钢 筋排 布依 然很 困难 。再加上型钢上 的加劲肋 板、 栓钉等布置 增加 了混凝土浇筑 的难度 ， 因此施工质量难以保 证 的 问题依 然存 在 。 3 1 3 转 换桁 架 方 案 三 前 两 种 方 案 都存 在 节 点 区钢 筋排 布 困难 ， 施工 质量 难 以保证 的 问题 ， 主要原 因是 桁架 结 构 中无 法 避免部 分 节点存 在 多个方 向构 件相交的情况 ， 这些节点区内多 向钢筋交错导致混 凝土浇捣 困难 。因此 ， 笔者对型钢混凝土桁架作 了 一 些调整 ： 上下弦杆仍采用型钢混凝土构件， 以方便 与桁架上下混凝土构件及 同层混凝土梁板 的连接 ； 所有腹杆均采用钢构 件， 从而达到减少节点区钢筋 量的 目的。桁 架形 式 以及各 构 件 截 面 的选 用见 图 2 。这样 ， 在 节 点 区 的 桁 架 平 面 内就 只 有 上 下 弦 杆内一个方向的钢筋 ， 可避开节点 区的型钢及加劲 肋板 。由于节点处的钢筋用量降低 ， 设计 中只需要 在 部分 加劲 肋板 上 预 留孑 L 洞 ， 节 点 区 的混 凝 土 浇筑 就会变得相对容易， 进而达到降低施工难度 ， 确保施 工 质量 的 目的 。 注： 1 、2 为型钢混凝土梁，截面为8 0 0 1 0 0 0 ，梁内设置型 钢H 6 0 0 5 0 0 6 0 5 0 ；3 为H8 0 0 5 0 0 6 0 6 0 ； 4 为H1 0 0 0 5 0 0 6 0 6 0 ；5 H 6 0 0 5 0 0 5 0 5 0 。 图 2桁 架布置 图 根 据 上述 确 定 的桁 架 形 式及 杆 件 截 面 ， 通 过计 算分析发现 ， 上下弦杆 中最不利位置是下弦杆跨中 截面 ， 该截面处于小偏拉状态 ， 拉力和弯矩依靠型钢 和 钢筋 来共 同 承 担 ； 腹 杆 中 ， 应 力 比最 大 的杆 件 为 4号腹杆 ， 其应力 比达到了 0 8 ， 而其他腹杆 的应力 比均较小 ， 这 样 的结 果 基 本 能 够 满 足设 计 要 求 。 因 此 ， 笔者认为方案三是一个较合理的结构设计方案。 3 2 型钢 混凝 土桁 架杆件 截 面验 算 在确定桁架 的形式后 ， 需要对各杆件进行截面 设 计 。根据 计算 结 果 可 以判 断 ， 转 换 桁 架 各 构 件 均 处于压弯或 者拉弯状态 ， 其 中钢腹杆 可依 据 钢结 构设计规范 ( G B 5 0 0 1 7 -2 0 0 3 ) 中压弯构件和拉弯 构件的设计公式进行 验算 ， 上下 弦杆 中的压弯构件 可参照 型钢混凝土组合结 构技术规程 ( J G J 1 3 8 2 0 0 1 ) 中型钢 混 凝 土框 架 柱 的 截 面 设 计 方 法 进 行 设计 ， 但对于上下弦杆 中的拉弯构件 ， 规范中没有提 供 相关 的设 计依 据 ， 需 要 我 们 自行 对 这 类 构 件进 行 分 析 。 桁架下弦杆跨 中处为拉力最大的部位 ， 拉力为 2 0 浙江建筑 2 0 1 5年第 3 2卷 1 7 3 9 8 k N， 弯矩为 1 8 8 2 k N m， 计算可知偏 心距为 1 0 8 m m， 而下弦杆截面高度为 1 0 0 0 m m， 因此下弦 杆构件全截面受拉 ， 处于小偏拉状态。 在设计中， 我们假定混凝土的抗拉强度为零 ， 所 以小偏拉型钢混凝土构件的拉力和弯矩完全依靠型 钢 和钢 筋来 承担 ， 假设 受拉 区和 受 压 区 的配 筋 面 积 相同， 即 A =A ， 根据钢结构设计规范中的拉弯构 件计算公式 ， 考虑钢筋与型钢共同作用 ， 笔者推导 出 了型钢混凝土小偏拉构件计算的近似公式 A + h A +( 。 +A ) 。 +A ( 。一a ) ( 1 ) 式 中 ： J7 、 r 为计 算截 面 的轴力 ； 为计算截面的弯矩 ； A 为 型钢 净截 面面 积 ； A 和A ： 分别为受拉区和受压区钢筋截面面积 ； ，为型钢强度设计值 ； 为钢筋强度设计值； Y 为 型钢 截面相 应 的截 面塑性 发展 系数 ； 为型 钢 的净截 面模量 ； h 。 为截面有效高度 ； a 为受压 区的保护 层厚 度 。 根据上述公式对型钢混凝土拉弯构件进行截面 设计 ， 以确保整个结构的安全性 。 4结构加强措施 本工程中转换桁架属于特别重要的结构构件， 在 计算中我们对其考虑竖向地震作用 ， 并以中震弹性为 结构抗震性能设计指标进行设计 ， 同时在结构抗震构 造措施 及材料性 能方面也采取 了一定 的措施 。 首 先 ， 对 转 换桁 架 本 身提 高 一 级采 取 抗 震构 造 措 施 ， 转换 桁 架 上 下 弦 杆 按 高 层 建 筑 混 凝 土 结 构 技术规程( J G J 3 2 O 1 O ) 中转换梁的构造要求进行 加强 ， 控制上、 下部纵 向钢筋配筋率不小于 0 4 ， 配箍 率不小 于 1 i f , i v ， 箍 筋 沿 梁 全长 加 密 ， 并设 置 一 定数 量 的拉 筋 ， 以提 高 型钢混 凝土 构件 的整体 性 。 其 次 ， 对 与转 换 桁 架 上下 弦 杆 相连 的楼 板进 行 加强， 增加这些楼板的板厚和配筋率 ， 提高结构的整 体 刚度 ， 以加 强转换 桁 架 的抗 震性 能 。 另 外 ， 由于转 换 桁 架 的腹 杆 以及 上 下 弦杆 内 的 型钢板件均较厚 ， 在钢材的选用上我们要求均采用 z向钢 Q 3 4 5 G J Z， 质量等级为 c级 ， 其 z向性能应达 到 Z 1 5级 ， 防止钢材发 生层状撕裂。转换桁架 上下 弦杆、 腹杆及加劲板之间的连接焊缝均采用全熔透 一 级焊缝 ， 以保证 焊缝 的强 度 和质量 。 5 结 语 杭州钓鱼台酒店存在转换层、 连体 和多塔等多 种设计难点并存的情况 ， 属于多重复杂建筑 ， 转换结 构所传递的上部荷载较大， 它的安全性对整个建筑 物有着极其重要 的意义 ， 通过对其进行详细研 究和 计算分析 ， 得到如下结论 ： ( 1 ) 当转换结构跨度较大且 承受较大荷 载时 ， 可以采用转换桁架来传递上部荷 载， 使得结构传力 途径明确 ， 计算结果可靠 ， 以提高结构安全性能。 ( 2 ) 对转换 桁架来说 ， 部分 腹杆和弦杆会处 于 受拉 的状 态 ， 由于混 凝 土抗拉 性 能较 差 ， 宜在构 件 中 适 当加 入型 钢 ， 加 强各 构件 的抗 拉性 能 。另外 ， 多 向 交叉 的桁 架 节点 区 内钢筋 布置 和混凝 土 浇筑都 会 比 较 困难 ， 应该 考虑 合 理 的桁 架 形 式 来 减 少 这 些施 工 难度 ， 确保施工质量 。本工程采用 的方法是上下弦 杆采用型钢混凝土构件 ， 而各腹杆采用钢构件 ， 这样 既保证 了桁架与上下层竖向结构及本层梁板结构的 可靠连接， 也减小 了施工难度 ， 施工质量容易保证。 ( 3 ) 型钢混凝土拉弯构件 的设计方法规范中没 有明确说明， 本文提出的近似计算公式 ( 1 ) 可对 小 偏 拉构 件进 行配 筋计 算 。 ( 4 ) 对于转换桁架这样 的重 要构件 ， 除了在 计 算和设计过程中采取一定手段保证结构安全性外， 还应从 构造 措施 、 结 构 材 料 选 用 及施 工质 量 要 求 等 方面 进行优 化 ， 来提 高结 构 的可靠 度 。 参 考 文 献 1 张涛 ， 毛仁兴 ， 黄卓 ， 等 深圳 现代 商务大厦桁架 转换层结构设 计 J 建筑结构 ， 2 0 0 8 ( 8 )： 3 03 3 2 戴 国亮 ， 蒋永生 ， 傅传国 ， 等 高层 型钢混凝 土底 部大空 间转 换 层结构性能研究 J 土木工程学报 ， 2 0 0 3 ( 4 ) ： 2 4 3 2 3 陈丽华 ， 李爱群 ， 赵玲 型钢混凝土 梁柱节 点的研究 现状 J 工业建筑， 2 0 0 5 ( 1 )： 5 65 8 4 汪大绥 ， 周建龙 我 国高层建筑钢 一混凝 土混合结构发展 与展 望 J 建筑结构学报 ， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 6 2 7 0