高層建筑托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)力學(xué)特點(diǎn)的分析與比較

張保華

廣東省輕紡建筑設(shè)計(jì)院 510080

摘要：結(jié)合一棟高層建筑托柱轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過結(jié)構(gòu)分析計(jì)算，分析比較了空腹桁架式、普通桁架式及梁式三種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案的工作機(jī)理和力學(xué)特點(diǎn)。分析表明，針對(duì)類似的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)工程實(shí)際，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案可以直接取用高層建筑結(jié)構(gòu)分析程序算出的構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行設(shè)計(jì)；而對(duì)于采用普通桁架或空腹桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案時(shí)，應(yīng)通過對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的局部分析方能得到轉(zhuǎn)換構(gòu)件的詳細(xì)內(nèi)力。工程設(shè)計(jì)中對(duì)于本文所述的節(jié)間桿長細(xì)比較小的托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，建議分別采用桿系有限元模型和普通有限元模型兩種分析方法進(jìn)行局部轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形分析。除此以外，本文還提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)建議，供設(shè)計(jì)人員參考。文章旨在與同行互相交流、共同進(jìn)步。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；力學(xué)分析；設(shè)計(jì)建議

一、工程背景及轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案

某一高層建筑下部為框筒結(jié)構(gòu)，上部為周邊密柱空腹筒、中間核心實(shí)腹筒的筒中筒結(jié)構(gòu)。該建筑包括地下室2 層，地上38 層。其中地上6 層為酒店，柱距為10.4m；第七層為轉(zhuǎn)換層并兼設(shè)備層；7 層以上為辦公樓，柱距改3.6m+3.4m +3.6m。為了實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)柱距的轉(zhuǎn)換并考慮將來建筑功能的安排，可考慮包括梁式、空腹桁架式（不帶斜腹桿）以及普通桁架式（帶斜腹桿）三種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案。在初選轉(zhuǎn)換層構(gòu)件尺寸時(shí)，先按梁式轉(zhuǎn)換層方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體計(jì)算（采用空間分析程序TBSA 或TAT），算出轉(zhuǎn)換梁所受設(shè)計(jì)剪力V 后初步再按下式（1）估算轉(zhuǎn)換梁的截面尺寸，從而進(jìn)一步初選轉(zhuǎn)換桁架桿件的截面尺寸?？紤]到轉(zhuǎn)換層上部所承托框架柱的截面尺寸為1200mm ×1200mm，故各轉(zhuǎn)換層構(gòu)件的截面

寬度取b =1200mm。三種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)情況如圖1 所示，本工程轉(zhuǎn)換層構(gòu)件的砼等級(jí)為C45。下面就這三種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析方法、各轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案的受力機(jī)理與特點(diǎn)等進(jìn)行計(jì)算分析比較。

V =0 .2f cbh

式中：f c為轉(zhuǎn)換構(gòu)件砼抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2；b、h為轉(zhuǎn)換構(gòu)件截面寬度和截面高度，mm。

二、關(guān)于分析模型及分析方法

2.1 分析模型的選取

為了在分析時(shí)考慮轉(zhuǎn)換層上部和下部結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)換層受力的影響，根據(jù)文獻(xiàn)[1]、[2]，本文分析模型選取轉(zhuǎn)換層上部3 層及下部1 層（圖1）。上部作用

力取結(jié)構(gòu)整體分析得出的上部框架柱軸向力。

2.2 分析方法的討論與比較

轉(zhuǎn)換層分析主要是為了計(jì)算出各轉(zhuǎn)換構(gòu)件的內(nèi)力，只有準(zhǔn)確地算出各轉(zhuǎn)換構(gòu)件所承受力的大小，才能對(duì)其進(jìn)行可靠的設(shè)計(jì)。因此，選擇合適的轉(zhuǎn)換層分析方法是非常重要的。上述三種轉(zhuǎn)換層方案中的轉(zhuǎn)換構(gòu)件都承受較大的軸向力，為了計(jì)算出構(gòu)件軸向力的大小并能進(jìn)一步探討各轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案的結(jié)構(gòu)性能，下面以空腹桁架為例，分別采用桿系有限元模型和普通有限單元模型計(jì)算并進(jìn)行比較。部分構(gòu)件的內(nèi)力計(jì)算結(jié)構(gòu)見表1，其中軸力取拉力為正，壓力為負(fù)。

對(duì)比表1 中兩種分析方法的計(jì)算結(jié)果可以看出：

（1）按上述兩種分析方法計(jì)算，轉(zhuǎn)換層上、下弦桿在同一截面處（如3、6 桿左端處）的剪力之和基本相等（普通有限方法的Σ V =9258 +3033 =12291kN，桿系模型ΣV =7874 +4804 =12678kN），表明本文兩種分析方法的計(jì)算結(jié)果是可靠的。

（2）兩種分析方法計(jì)算的各轉(zhuǎn)換構(gòu)件內(nèi)力結(jié)果有所不同。普通有限元法算出的下弦桿內(nèi)力普遍比桿系方法的結(jié)果大；而上弦桿各內(nèi)力中，兩種方法互

有大小，說明本文所述空腹桁架轉(zhuǎn)換層按普通有限元模型和按桿系有限元模型計(jì)算出的各轉(zhuǎn)換構(gòu)件內(nèi)力是存在一定差異的。

（3）在圖2 中，對(duì)于空腹轉(zhuǎn)換桁架的下弦桿（桿1、2、3），普通有限元模型算出的彎矩、軸力（拉）和剪力都比桿系模型算出的數(shù)值大，可認(rèn)為普通有限元

結(jié)果對(duì)下弦桿更為不利；對(duì)于空腹轉(zhuǎn)換桁架的上弦桿（桿4、5、6），則桿系模型算出的彎矩和剪力大出很多，軸力雖略小，但由于是軸向壓力，所以最終桿

系模型計(jì)算結(jié)果對(duì)上弦桿更為不利。

（4）綜合兩種方法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，可以看出兩種計(jì)算方法的結(jié)果存在一些差異。該計(jì)算模型代表著具體的工程特點(diǎn)，如本工程轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型的桁架桿件長細(xì)比相對(duì)較小，尤其下弦桿就其單個(gè)節(jié)間考慮已接近深梁情況。所以，本文認(rèn)為，在這種具體情況下，工程設(shè)計(jì)中宜參考上述兩種分析模型的結(jié)果來對(duì)轉(zhuǎn)換層構(gòu)件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。而對(duì)于較為明顯的桿系結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層（桿件長細(xì)比較大），可直接采用桿系有限元模型進(jìn)行分析并依此進(jìn)行設(shè)計(jì)。

三、各轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案的力學(xué)特點(diǎn)及比較

為了對(duì)各轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析比較，本文提出如下幾個(gè)分析參數(shù)m0、n0、v0，各參數(shù)的物理意義如下：

m0 =M/（f cbh2 0）

n0 =N/（f cbh）

v0 =V/（f cbh）

此外根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)[2-5]，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸往往受抗剪承載力確定，由于上述各轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案中轉(zhuǎn)換構(gòu)件都承受一定的軸向力，為了在確定構(gòu)件截面尺寸時(shí)考慮軸向力對(duì)其抗剪承載力的有利或不利影響，本文提出一個(gè)等效設(shè)計(jì)剪力的概念，用V*表示。其中等效設(shè)計(jì)剪力V*根據(jù)轉(zhuǎn)換構(gòu)件受拉或受壓分別按下式計(jì)算：轉(zhuǎn)換構(gòu)件受拉時(shí)：V* =V +0 .2N（5）轉(zhuǎn)換構(gòu)件受壓時(shí)：

V* =V +0 .07N

式中N 表示構(gòu)件所受拉、壓力的設(shè)計(jì)值。構(gòu)件受拉時(shí)取正值，受壓時(shí)取負(fù)值。為便于進(jìn)一步分析對(duì)比，再引入一個(gè)分析參數(shù)v*0，v*0 稱之為剪應(yīng)力特征值，

其取值如下：v *0 =V*/（f cbh）（7）

3.1各轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)方案中構(gòu)件的受力性能比較

桁架轉(zhuǎn)換層、空腹桁架轉(zhuǎn)換層和梁式轉(zhuǎn)換層按普通有限元模型計(jì)算并得到各桿件內(nèi)力的計(jì)算結(jié)果，然后按公式（2）～（4）及公式7計(jì)算出部分桿件的分析參數(shù)。最后計(jì)算結(jié)果見表2 和表3。桿件的編號(hào)示意分別如圖（3）～（4）所示。分析對(duì)比兩表的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

3.1.1 轉(zhuǎn)換構(gòu)件的內(nèi)力分布特點(diǎn)

空腹桁架式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和普通桁架轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上、下弦桿的彎矩和剪力都