广西壮族自治区柳州市柳东新区企业总部大楼的主楼在3~6层中间部分掏空。由于掏空部分跨度达到50.4m, 故在此部分的?, ?, ?, ○K轴设置4榀转换桁架 (图1) 承托上部结构荷载, 大跨度高位转换桁架是本工程设计的重点, 也是施工组织设计的难点, 本文对此桁架的设计和施工要求进行分析。本项目的建成后实景照片及其他工程概况见文献[1]。

　　 转换桁架跨度大、承受的荷载重, 设计方案是否合理对建筑效果及经济性影响很大, 需比选确定。根据建筑平面及立面要求, 初步考虑在7~9层及13~15层结合两层高的大会议室各设置4榀跨层转换桁架。由于建筑师要求, 每榀桁架的立面形式及截面尺寸均一致, 仅内部钢骨及配筋可根据实际受力大小有所区别。为节省篇幅, 以?轴桁架为例进行详细分析, 共设计了5种方案, 各方案立面简图如图2所示 (由于建筑师要求框支柱边退出外包装饰厚度, 框支柱中心距离轴线1 100mm) 。

　　 采用软件SATWE对5种方案的桁架进行计算, 得到?轴桁架的部分杆件轴力及截面尺寸如表1所示, 杆件的具体位置见图2。

　　 对各方案中桁架杆件布置的合理性和两层桁架之间的整体性进行了分析比选, 具体结果如下:

　　 (1) 方案1采用斜拉杆的布置形式;方案2采用斜压杆的布置形式。由于方案2中的斜压杆可以充分发挥混凝土的抗压强度, 因而斜腹杆截面尺寸相比方案1较小。但2种方案的斜腹杆轴力都很大, 过大的内力使得2种方案的腹杆截面尺寸均难以满足建筑要求。方案1和方案2中, 杆件1与杆件4的轴力比分别为4.83∶1, 5.21∶1, 说明这2种方案均存在上层桁架没有充分发挥作用, 而下层桁架承担转换层荷载过大的情况。

　　 (2) 方案3采用拉、压斜腹杆“X”形布置, 相比方案1和方案2, 斜腹杆双向布置的结构形式有效减小了竖腹杆和斜腹杆内力, 相应杆件截面得到了显著减小, 节点受力更均衡。此方案的不足之处是斜腹杆布置稍密、节点构造复杂、开设门洞受限、影响视野和采光。该方案中杆件1与杆件4的轴力比为3.86∶1, 相对方案1和方案2, 结构整体性有所改善。

　　 (3) 方案4采用拉、压斜腹杆“Λ”形连续布置, 该布置整体形状有韵律感, 建筑师更能接受, 节点构造相对较简单。但是, 杆件1与杆件4的轴力比为3∶1, 下层桁架仍然承担较大的荷载, 杆件1、杆件3等局部杆件的截面尺寸依然较大, 对室内视线影响较大, 建筑师希望能进一步优化。

　　 (4) 考虑9~13层的 (11) ~ (14) 轴、 (20) ~ (23) 轴间主要是卫生间等辅助房间, 故在方案4的基础上, 在9~13层的 (11) ~ (14) 轴、 (20) ~ (23) 轴间范围加设斜腹杆, 从而形成方案5。由表1可知, 该方案中杆件1与杆件4的轴力比为1.72∶1, 杆件3与杆件6的轴力比为1.27∶1;杆件1与杆件3的轴力比为1.73∶1, 杆件4与杆件6的轴力比为1.28∶1。这表明杆件受力均匀, 杆件截面尺寸能够满足建筑要求, 杆件设计合理。而且该方案使得桁架上部结构荷载在8层高的范围内均匀传递到框支柱, 既简化了节点设计难度, 更有利于防止因为个别杆件或节点失效而导致连续倒塌。另一方面, 考虑到 (11) ~ (14) 轴、 (20) ~ (23) 轴间斜腹杆轴力在7~15层逐步减小, 其对整体结构的贡献也逐层减小, 故从使用功能、施工周期以及经济造价等角度综合考虑, 在15层以上不再加设斜腹杆。最终选择了令结构师和建筑师都满意的方案5。

　　 关于施工方案, 考虑了如下两种:施工方案1, 将 (1) ~ (11) 轴、 (23) ~ (33) 轴的塔楼部分施工至7层楼面标高, 然后在转换桁架下方搭设临时支撑, 将7~9层转换桁架与两侧塔楼一起浇筑, 待其混凝土强度达到设计要求后, 再逐层施工9层以上结构。施工方案2, 先将 (1) ~ (11) 轴、 (23) ~ (33) 轴的塔楼部分施工到顶, 然后将7~15层的转换桁架的内部钢骨在地下室底板焊接成钢骨桁架, 再采取提升设备将钢骨桁架整体吊装到位并与框支柱焊接, 然后在转换桁架下方搭设临时支撑, 利用钢骨桁架与临时支撑共同承受施工荷载, 再逐层施工混凝土。

　　 由于转换桁架的钢骨在混凝土施工前已经参与受力, 本文使用MIDAS/Gen^[2]中的施工阶段联合截面功能, 根据实际施工步骤将钢骨和混凝土在对应施工阶段激活, 并考虑混凝土强度随时间增长的特性, 真实体现了混凝土与钢骨受力不同步的特点。通过MIDAS/Gen定义荷载组以及结构组, 按实际施工顺序在相应阶段予以激活或者钝化, 真实模拟主体结构及临时支撑内力的逐步积累变化过程, 计算得到与该施工方案对应的结构最终受力^[3]。由于采用一次性加载假定的计算速度快, 本工程在早期方案阶段预估截面时也采用了该计算模式。

　　 将一次性加载假定得到的结果与真实模拟两种施工方案得到的?轴转换桁架杆件及部分临时支撑的轴力进行比较, 如表2所示, 杆件及临时支撑位置见图3。

　　 计算结果表明:1) 对于大跨度转换结构, 不同施工方案对结构内力影响显著, 相对于一次性加载假定计算结果, 杆件轴力增加幅度最大达到62%, 如果不采取与实际相符的施工模拟分析, 仅仅凭经验或感觉去加大杆件截面会留下重大安全隐患;2) 采用将转换桁架的内部钢骨先焊接成钢骨桁架后整体吊装, 混凝土逐层施工的施工方案 (即施工方案2) , 可充分利用钢骨桁架的整体刚度, 显著降低由于钢骨与混凝土均逐层施工 (即施工方案1) 造成桁架内力增大的程度;相对施工方案1, 施工方案2的临时支撑所能承受的竖向荷载显著降低, 脚手架搭设难度及措施费也均可显著降低。

　　 本文最终确定了采用施工方案2, 该方案还具有以下优点:1) 先施工两侧塔楼、后施工中间转换桁架及其上部结构, 这样的平面分段施工减小了施工期混凝土收缩造成的初始应力, 同时通过在每层后浇的中间区段混凝土中掺加膨胀剂, 可以消除后期混凝土温度收缩造成的拉应力;2) 可减少高空焊接作业、降低安全风险、提升钢骨桁架焊接质量。

　　 楼板作用对桁架内力影响非常显著, 以转换桁架下弦所在的7层为例, 分别采用以下两种计算假定:1) 楼板按弹性膜考虑;2) 仅考虑楼板荷载, 不考虑楼板平面内、平面外刚度, 即不考虑楼板作用。上述两种情况下各榀桁架下弦杆跨中位置轴力如表3所示。

　　 由表3中结果可知, 相对于楼板按弹性膜考虑, 不考虑楼板作用时, 下弦杆轴力增幅最大达到77%。故为了避免楼板因为混凝土的干缩或温度收缩等原因开裂后, 造成桁架内力显著增大, 使其超过承载能力, 结构设计时仅将楼板作用作为安全储备, 转换桁架杆件均按考虑楼板作用和不考虑楼板作用两种情况包络设计。转换桁架弦杆所在楼层的楼板设计原则如下:1) 受拉区域楼板的板底、板面钢筋均采用焊接连接;2) 按照弹性膜假定, 对转换层楼板进行设防地震和罕遇地震作用下的应力分析^[1], 并与恒荷载、活荷载组合后进行配筋设计。

　　 采用上述两种假定, 并分别利用MIDAS/Gen进行施工模拟分析后, 将模型导入MIDAS/Gen Designer中进行钢骨混凝土构件的设计。对于转换桁架中受压的钢骨混凝土构件, 可根据规程^[4,5]的偏心受压框架柱计算公式进行复核验算。由于现行规范对受拉的钢骨混凝土构件未作具体规定, 简单套用受压构件的公式也不合理。本工程按下述方法设计:基于平截面假定分析钢骨混凝土构件中型钢和钢筋的应力、应变, 并参照《钢结构设计规范》 (GB 50017—2003) ^[6]中的拉弯构件进行验算复核, 部分承受拉力较大的构件配筋根据复核结果需要加大。

　　 本工程节点复杂, 除了考虑钢骨的连接外, 还需考虑桁架平面内和平面外两个方向普通钢筋的穿插与锚固。为保证节点构造可靠、传力明确、施工简便, 实现“强节点”的抗震概念设计, 需要对复杂节点进行精细设计。

　　 由于桁架杆件承受轴力较大, 为了避免削弱节点承载力, 弦杆及斜腹杆的腹板均不允许像常规梁柱接头一样在腹板上留设弧形焊接洞口、腹板两侧的梁纵筋也不允许在腹板穿孔贯通。为了解决桁架平面外未贯通钢筋的连续传力问题, 本工程优先采用增加横隔板与钢筋焊接连接, 当增加的横隔板与钢骨翼缘或者加劲板之间距离过小时, 多层钢筋与横隔板的焊接作业难度大, 且较小的空隙无法保证混凝土浇筑密实, 则改用焊接套筒与钢筋连接。图4为绑扎钢筋之前的典型钢骨节点之一。

　　 对于只设置1个斜腹杆的钢骨节点, 斜腹杆的普通钢筋按图5所示直接伸入节点区锚固;对于设置2个斜腹杆的节点, 尽量将2个斜腹杆的普通钢筋弯折通长, 如图6所示, 此节点的配筋详见图7。这样不仅可以使斜腹杆的钢筋实现互锚, 还可以避免钢筋分别弯折到型钢腔体内锚固, 从而导致钢筋过多, 造成混凝土浇筑困难。

　　 为保证结构安全, 对于受力较大的钢骨混凝土节点, 采用MIDAS Fea进行有限元分析。图8为?轴桁架在7层与框支柱连接处的钢骨混凝土节点有限元模型, 该节点的下弦承受较大的拉力, 斜腹杆承受较大的压力。钢骨材质为Q345B, 框支柱和斜腹杆的混凝土强度等级为C55, 下弦杆混凝土强度等级为C40。

　　 有限元分析结果表明, 节点钢骨最大von Mises应力为148.456N/mm² (图9) , 小于钢材的屈服强度。图10为节点混凝土应力, 可见, 最大压应力为7.064 16N/mm², 小于混凝土的抗压强度标准值;最大拉应力为22.733 3N/mm², 超出混凝土的抗拉强度标准值。结构设计时不考虑混凝土的抗拉强度, 对受拉区分块统计混凝土拉应力与面积的乘积, 得到拉力合力, 用该拉力合力除以钢筋抗拉强度设计值, 就得到需要配置的受拉钢筋面积。

　　 本工程采取将转换桁架的钢骨在地下室底板面焊接成钢骨桁架后, 采用液压同步装置进行整体吊装的施工方案。单榀钢骨桁架重约4 600k N, 钢骨桁架高度33.6m, 提升高度约36m。在桁架两侧塔楼的框架柱上设置提升用的临时支架 (图11) , 每个临时支架上均放置1台提升力为3 500k N的液压提升千斤顶, 每榀钢骨桁架两个端部各设置1个提升吊点, 共计设置8个提升吊点。提升系统启动以后, 主控计算机根据设置在液压提升千斤顶上的传感装置所反馈的信息, 控制每个提升点的液压流量, 实现各提升点的同步控制。钢骨桁架提升至设计标高并调整水平方向的定位以后, 将钢骨桁架与预留牛腿焊接连接, 焊接完毕后松开提升吊钩。

　　 为保证吊装顺利进行, 钢骨桁架施工需注意以下几点:

　　 (1) 钢骨桁架弦杆及斜腹杆在靠近框支柱处预先切断, 其中一部分在框支柱混凝土浇筑前与框支柱内钢骨焊接作为预留牛腿。为了避免施工误差造成卡阻, 预留牛腿长度从下至上依次增加。以?轴钢骨桁架为例, 杆件的切断位置及预留牛腿长度如图11所示。

　　 (2) 钢骨桁架吊装采用液压同步提升装置, 以防止吊点之间提升高度不一致导致卡阻。钢骨桁架吊装至预定标高后, 水平方向的定位可以通过千斤顶调整 (图12) 。图13为钢骨桁架吊装就位后弦杆接口处的现场照片。

　　 (3) 钢骨桁架吊装时, 分别将?轴、?轴和?轴、○K轴钢骨桁架组合为一个吊装单元, 每个吊装单元的平面外设置截面尺寸为219×6的钢管临时支撑作为约束。为确保吊装施工的安全, 临时支撑的截面及间距需采用MIDAS/Gen进行验算。图14为?轴、?轴钢骨桁架组合的吊装单元的杆件应力图, 图15为?轴、?轴钢骨桁架组合吊装单元的施工现场照片。

　　 (4) 桁架各层与框支柱相连的斜腹杆是本工程的关键构件, 施工过程中应严格控制斜腹杆钢骨的翼缘、腹板与框支柱预留牛腿对中。

　　 (5) 框支柱侧边是桁架剪力最大的位置, 采用整体吊装钢骨桁架的施工方案, 造成桁架端部与框支柱出现施工缝, 如果只预留转换桁架钢骨, 而不浇筑混凝土, 会造成施工缝处的弦杆和斜腹杆抗剪承载力显著削弱。因此节点区混凝土应部分浇筑, 斜腹杆的混凝土完成面宜垂直于钢骨, 弦杆的混凝土完成面可位于45°~60°之间。

　　 (6) 转换桁架高度范围内, 因为其内部钢骨桁架一次焊接成型, 不能像混凝土结构一样施工中逐层找平, 需要将转换桁架及其内部钢骨桁架预起拱。本工程取预起拱值等于结构自重及装修荷载作用下桁架挠度值, 以达到装修完毕并拆除脚手架后楼面保持水平的目的。图16为根据MIDAS/Gen计算的转换桁架挠度确定的?轴桁架节点预起拱值。

　　 (1) 转换桁架的布置应该兼顾结构受力与建筑效果的需要进行多方案的比选。

　　 (2) 相对于一次性加载计算假定, 不同施工方案对于大跨度转换结构内力的影响显著, 如果不采取与实际相符的施工模拟分析, 仅凭经验或感觉加大杆件截面会留下重大安全隐患。

　　 (3) 将转换桁架内的钢骨在地面焊接成钢骨桁架后整体吊装, 混凝土逐层施工的方案, 可充分利用钢骨桁架的整体刚度, 相对钢骨及混凝土均逐层施工的方案, 能显著降低桁架内力和临时支撑承受的竖向荷载, 也可显著降低脚手架搭设难度及措施费。

　　 (4) 转换桁架及其与相关梁柱构件的连接处交汇于一点的杆件数量较多, 钢骨的节点板形式与钢筋锚固构造息息相关, 应在方案阶段就进行关键节点试设计, 根据节点的可实施性进行分析, 并根据分析结果反过来再对杆件设计进行优化调整。

　　 (5) 对于钢骨桁架整体吊装的施工, 应制定详细的施工方案, 钢骨桁架杆件预留牛腿自下向上依次加长, 可避免由于施工误差造成吊装过程中卡阻。

　　 (6) 为了避免大跨度转换结构拆模后楼面高差过大、或被动加厚找平层而造成材料消耗及结构重量增加, 应对转换结构进行精确的施工全过程分析, 准确确定其不同位置的预起拱值, 避免增加造价及影响结构安全。