某医院行政楼为大跨度钢桁架高位转换高层建筑结构体系^[1,2,3]。结构主屋面高53.5m,平面尺寸109.2m×25.8m,建筑面积2.065万m²,柱网8.4m×8.4m,8.4m×9.0m,转换桁架跨度52.8m,连廊桁架跨度66.4m。行政楼1～4层两端为剪力墙底座并延至屋顶,其中西侧4层为双向悬挑转换结构。建筑效果见图1。

　　 本项目建筑结构安全等级为二级,设计基准期和使用年限均为50年,结构重要性系数为1.0。抗震设防类别为重点设防类(乙类),抗震设防烈度为6度(0.05g),设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅱ类。

　　 主体结构总建筑高度接近60.0m,属于风荷载比较敏感的高层结构,根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)^[4](简称荷载规范)和《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)^[5](简称高规)要求,可按照提高至100年一遇的基本风压并乘以1.1系数进行承载力极限状态和正常使用极限状态验算,按照10年一遇的基本风压进行舒适度分析;承载力验算和舒适度分析的基本风压分别为0.55kN/m²和0.33kN/m²。地面粗糙度为B类,风荷载体型系数为1.4,阻尼比为0.02。设计时通过上述风荷载放大作用,可保证结构安全。

　　 采用《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)^[6](简称抗规)反应谱进行主体结构的小震弹性分析和设计,中震和大震则结合《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》(建质[2015]67号)^[7]采用抗规地震动参数进行分析。小震计算时考虑周期折减系数为0.8,中震和大震计算时周期不折减。小震和中震计算时阻尼比取为0.04,大震计算时阻尼比取为0.05。大跨大悬挑钢结构在荷载组合时均应考虑竖向地震作用,最大竖向振动频率应大于3Hz的舒适度要求。

　　 本项目地上11层,结构主屋面高53.5m,属于大跨度钢桁架转换高层结构,采用钢-混凝土混合结构体系。1～3层仅有两侧剪力墙并延至屋顶,4～5层为双层双向桁架转换结构,设置于西侧剪力墙悬挑部分和中部大跨范围,最大桁架跨度58.8m(7跨),最大悬挑16.8m(2跨)。西侧连廊桁架通过橡胶支座支于西侧剪力墙位置的型钢混凝土柱上,以与行政楼主体脱开。

　　 剪力墙作为主要抗侧力体系可有效抵抗地震和风等水平荷载,双层双向桁架转换体系作为上部结构的支撑转换结构,同时配合了建筑立面的要求。行政楼主体结构模型和抗侧力体系如图2和图3所示。

　　 剪力墙厚度自下而上的变化范围为600～400 mm,东侧结构缝处一字形剪力墙厚度在1～5层加强为800mm,混凝土强度等级为C60～C40,其中转换层(4～5层)以下为C60。剪力墙和框架柱典型平面见图4。1～4层落地框架柱采用型钢混凝土柱(西侧)和钢管混凝土柱(东侧),主要构件尺寸十字型钢混凝土柱为900×900(十字型钢截面高度×翼缘板宽度×腹板厚度×翼缘板厚度为600×300×25×50),钢管混凝土柱为□900×40,□800×30等;4层以上采用箱形钢柱,如□600×30,□500×25,□450×25等。钢构件的材质均为Q345B。抗震等级转换层(4～5层)及以下:剪力墙特一级,钢-混凝土混合钢框架二级;转换层(4～5层)以上:剪力墙一级,钢框架三级。

　　 西侧1～4层剪力墙底座采用斜柱-剪力墙支撑结构,南、北两侧端部分别设置2根十字型钢混凝土斜柱900×900(十字型钢600×300×25×50),与剪力墙形成整体竖向受力构件,以实现上部结构的悬挑支撑;各层楼面位置采用双向贯通的箱形主梁□800×500×30×30,与斜柱刚接形成整体空间受力体系,剖面图见图5。

　　 楼面主要采用单向钢梁布置,楼板为钢筋桁架楼承板。框架柱间的钢梁为刚接,钢梁与剪力墙的连接除内插型钢外均为铰接。次梁连接除悬挑外均为铰接。典型楼层的楼板厚度为:桁架转换层底部至顶部楼板(4～6层)板厚为150mm;一般楼层楼板厚度为120mm。典型楼层平面布置见图6。

　　 转换层采用双层双向桁架结构以实现大跨度钢桁架高位转换,设置在西侧剪力墙和中部大跨区域。

　　 横向桁架包括中间双层桁架和两侧单层桁架形式。中间双层桁架的4层设有斜撑,5层大跨区域采用竖杆加密的无斜撑形式。两侧单层桁架位于5层,采用有斜撑形式,由中部大跨度范围延伸至西侧端部,中间支于斜柱-剪力墙结构上,包括最大跨度58.8m和最大悬挑16.8m。钢桁架的主梁构件主要尺寸为□800×500×40×40,□800×500×20×20,桁架柱尺寸为□500×(50～25),斜柱-剪力墙转化处的桁架柱为□600×50,斜撑尺寸为□500×(45～25)。桁架构件材质均为Q345B钢。立面布置图如图7所示。

　　 纵向桁架两侧采用穿层斜撑形式以承受侧向大悬挑,同时满足建筑立面和功能要求;中间一跨仅在4层范围设置人字形斜撑(图8),特殊跨在楼梯位置改为双人字形。

　　 桁架整体结构立面布置如图9所示,空中连廊桁架东侧采用橡胶支座支于行政楼西侧剪力墙位置的型钢混凝土柱上,以与行政楼主体脱离开,橡胶支座详图如图10所示,橡胶支座的具体位置如图9中粗圆圈所示。

　　 SATWE和MIDAS Builiding求解的前3阶周期和振型结果基本一致,高阶局部振型结果有所差异。周期比分别为0.8241,0.8268,结构扭转效应均小于高规周期比限值0.85,满足要求。

　　 各楼层的剪重比曲线见图11。由图可知,SATWE的底层最小剪重比为1.55%(X向)和1.27%(Y向),MIDAS Building为1.57%(X向)和1.30%(Y向),两者均满足抗规不小于限值0.80%要求。抗震计算时各楼层剪力均按抗规第5.2.5条调整。

　　 图12给出了风荷载和地震作用下,各楼层的层间位移角曲线。本项目按照抗规取值验算小震变形,不考虑偶然偏心,层间位移角均小于规范限值1/800,满足要求。

　　 考虑偶然偏心作用,地震作用下各楼层层间位移比曲线见图13。由图可知,X向位移比均小于1.2,满足规范要求;部分楼层的Y向位移比在1.2～1.4之间,但都小于1.4,满足规范要求。

　　 各楼层刚度比曲线见图14。由图可知,X向和Y向的最大侧向刚度比均在3层。SATWE,MIDAS Building在X向的最大侧向刚度比分别为0.849 3,0.656 4,SATWE,MIDAS Building在Y向的最大侧向刚度比分别为0.656 4,0.963 2,小于限值1.0,不满足规范要求,这是由于从3层(仅两端剪力墙)到4层(剪力墙+大跨桁架)的刚度加强所导致,其余各楼层均满足规范要求。

　　 受剪承载力比曲线见图15。SATWE最大受剪承载力比出现在3层,X向为0.43,Y向为0.55,小于限值0.80,MIDAS Building最大受剪承载力比出现在3,4层,3层的X向、Y向的最大受剪承载力比分别为0.756 0,0.773 6,4层的X向、Y向的最大受剪承载力比分别为0.637 2,0.660 2,小于限值0.80,不满足规范要求。3层出现受剪承载力比小于0.80是因为从3层(仅两端剪力墙)到4层(剪力墙+大跨桁架)的刚度加强所导致的,4层出现受剪承载力比小于0.80是因为4层桁架(两榀)相对5层桁架(四榀)的刚度要薄弱所导致的;其余各楼层均满足规范要求。

　　 各楼层框架柱和剪力墙所承担剪力百分比见图16。本项目框架部分按刚度计算分配的最大楼层地震剪力大于基底剪力的10%,满足高规第9.1.11条、抗规第G.2.3-2条的要求。

　　 周边框架截面设计时,严于规范,各楼层框架部分承担的地震剪力按不小于结构底部总地震剪力的25%和计算最大楼层1.8倍两者的较小值,且不小于结构底部总地震剪力15%的要求进行调整。

　　 SATWE 和MIDAS Building算得的X向结构刚重比分别为17.98,18.41,Y向结构刚重比分别为12.71,12.62。结构两个主方向的刚重比均大于2.7,能够通过高规的整体稳定验算,结构计算时可以不考虑重力二阶效应对水平力作用下结构内力和位移的不利影响。

　　 本工程的超限情况包括刚度突变、承载力突变、竖向不规则以及转换层等。特点是斜柱-剪力墙支撑结构体系和双层双向大跨度大悬挑桁架结构设计,保证其受力性能及使用要求的合理性是其最大难点。除第4节的基本指标要求外,还需通过以下几方面的处理来保证设计的合理和安全。

　　 本项目性能目标选用C级,小震、中震和大震作用下结构分别达到性能水准1、 性能水准3和 性能水准4的要求。结构各构件的具体性能目标见表1。

　　 桁架以下分成两个独立的支腿结构,尤其是西侧的斜柱-剪力墙体系承载着上部结构大悬挑大跨度的支撑功能,其耗能能力相对较差。为提高其抗震性能,主要采取了以下措施:1)结构布置的合理化。通过各层楼面周边双向布置的主钢梁刚接连接南北侧的4根型钢混凝土斜柱,同时设置剪力墙,实现两道抗震防线,形成整体的空间结构受力体系。2)抗震性能设计。严格控制桁架层以下的底部支腿剪力墙墙肢、框架梁柱的轴压比和应力比,确保其达到中震弹性和大震不屈服的性能。

　　 转换桁架层楼屋面设置为弹性膜,转换各楼层同时加载,采用MIDAS Building软件进行验算。

　　 图17为最不利标准组合工况(1.0恒+1.0活)下的Z向位移变形云图。可知,转换桁架的最大Z向位移为102.26mm,为对应跨度的1/575,满足《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)第3.2.1条的1/250限值。西侧悬挑桁架最大Z向位移为62mm,为对应悬挑跨度的1/270,满足规范限值1/125要求。

　　 图18为最不利基本组合工况(1.2恒+1.4活)下的构件应力比云图。可知,大多数钢构件的应力比均小于控制应力比0.80,局部桁架端部等特殊位置应力比达到0.90,因而是安全可靠的。

　　 桁架结构的斜撑节点设计时采用等效面积方式来确保节点承载力大于进入节点的各构件承载力之和,即“强节点弱构件”。在此基础上,进一步通过ANSYS进行节点有限元分析以确保其安全,典型节点取计算结果中受力较大位置的节点A(图18)。

　　 图19为节点A的变形云图和von Mises应力云图。由图可知,节点最大变形为29.3mm,出现在下支撑杆件上;最大von Mises应力为345MPa,即横向主梁、下支撑杆件均在节点附近区域,由于压力过大出现局部屈服,其余位置应力均为弹性。应力薄弱部位通过加劲板等措施进行节点加强。

　　 (1)控制墙肢剪应力水平,确保大震下墙肢抗剪截面时不发生剪切破坏。

　　 (2)桁架转换层及以下框架和剪力墙的抗震等级提高一级,即钢-混凝土混合钢框架二级,剪力墙特一级;剪力墙底部加强区设置约束边缘构件并延伸至转换层顶部楼面,并提高剪力墙的实际配筋率。

　　 (3)西侧1～4层剪力墙底座采用斜柱-剪力墙支撑体系,通过型钢混凝土斜柱、剪力墙、纵横向贯通的箱形主梁形成整体空间受力体系。

　　 (4)剪力墙配置多层钢筋,确保墙肢受力均匀;控制所有墙肢在水平作用下不出现受拉状态。

　　 (1)转换层及以下框架柱采用型钢混凝土柱和钢管混凝土柱的混合结构,严格控制框架柱的轴压比,确保其有足够延性,轴压比限值按规范0.80控制。

　　 (2)西侧1～4层斜柱采用型钢混凝土构件,提高斜柱纵向钢筋配筋率,箍筋全高加密;处理好斜柱与贯通主梁的节点构造,形成整体空间受力体系。

　　 (3)确保框架的第二道防线作用。框架作为混合结构的第二道抗震防线,须承担不小于规范规定的地震剪力。

　　 (1)转换层采用双层双向桁架转换结构体系。横向桁架包括中间双层桁架和两侧单层桁架形式;纵向桁架两侧采用穿层斜撑形式以承受侧向大悬挑,中间仅在下层设置(双)人字形斜撑。

　　 (2)转换桁架特殊位置的节点构造设置,避免刚度突变和局部应力集中;桁架大跨端部的斜撑和竖向构件不连续处的钢梁均采用钢管混凝土加强。

　　 (3)转换桁架层楼屋面设置为弹性膜,板厚及配筋加强,并同时施工加载进行验算;通过典型节点有限元分析,判断节点受力情况和薄弱部位。

　　 (4)大跨度大悬挑钢桁架按中震弹性设计,控制多数钢构件的应力比≤0.80,少数特殊位置构件应力比≤0.90,且考虑承受竖向地震作用。

　　 (1)墙柱混凝土强度等级改变的楼层,不同时改变墙柱截面大小,以保证竖向构件强度的过渡变化。

　　 (2)大开洞楼层的楼板补充弹性楼板应力分析,板厚及配筋根据计算结果加强。

　　 选用2条天然波(TH2TG035,TH3TG035)和1条人工波(RH1TG035)进行小震弹性时程分析,并与规范反应谱结果进行比较。

　　 时程分析和规范反应谱对应的基底剪力比较见表2。可知,时程分析所得基底剪力均大于规范反应谱剪力的65%,平均基底剪力大于规范反应谱剪力的80%,满足规范要求。

　　 图20为时程分析与反应谱对应的各楼层剪力比较。可知,大多数楼层时程分析法所得楼层剪力与规范反应谱法结果较为接近,因此按照规范进行承载力计算是安全的。

　　 (1)双层双向桁架转换结构体系的各项指标均满足规范要求,能较好配合建筑平面及立面要求。

　　 (2)西侧剪力墙底座采用斜柱-剪力墙支撑体系。通过型钢混凝土斜柱与剪力墙组合成整体竖向受力结构,以实现对上部结构的悬挑支撑;通过斜柱与纵横向贯通主梁的刚接形成整体空间受力体系。

　　 (3)大跨度区域的横向桁架包括中间双层桁架和两侧边单层桁架两种结构形式。中间双层桁架的下层设置有斜撑,上层采用竖杆加密的无斜撑桁架形式以满足建筑功能需求。

　　 (4)大跨度大悬挑桁架的挠度均满足规范要求;构件最大应力比≤0.9,受力性能安全可靠。

　　 (5)主桁架方向的主梁在节点附近区域由于轴压力过大出现局部屈服,下支撑杆件在节点位置附近也出现局部屈服,其余位置应力均为弹性。应力薄弱部位通过焊接加劲板等措施进行加强。