空腹桁架型钢砼结构在大跨度连接体建筑中优化设计
关键词：连接体建筑,大跨度空腹桁架型钢砼结构,结构优化设计,设计要点
一. 工程概况
随着城市建设日新月异，特别是进入21世纪以后得到了更加迅猛的发展，建筑功能和结构形式也更趋多样化。在大跨度连接体中空腹桁架型钢砼结构的应用也逐渐多起来，我们在成都国际商贸城市场中也应用了此技术。
成都国际商贸城市场位于成都市北部新区总建筑面积约260万平方米，在一、二期与三、四期间有一条宽约36米的城市道路穿过，因此在道路上方设置一个跨度36米共四层的连接体建筑，建筑长度约126米宽度约128米，建筑面积约6.5万平方米。通过多方案技术、经济比较、优化设计，采用空腹桁架型钢砼结构，利用2层和3层作为空腹桁架型的上下弦杆，3、4层9米柱子加回去用普通的钢筋砼结构，通过设计优化取得了较好的效果。为了便于推广,我们在此作一些归纳总结。
二.多种连接体结构形式的方案比较与分析
结构计算是用中国建筑科学研究院的PKPM PMSAP进行的。
1.二~屋面层梁与柱整体按无斜杆混凝土桁架6米柱间距(二层用预应力梁)。
经计算二层混凝土梁高需做到2米以上，且目前软件无法实现预应力和空间结构协同计算，存在一定的风险;并且下部净高不能满足交通要求。
2.二~屋面层梁与柱整体按无斜杆钢结构桁架6米柱间距。
通过分析比较，显示具有可行性。主钢梁1200x600x30x40,次梁500x250x14x16,局部12米开间处主梁为主钢梁1200x600x34x45，次梁为600x300x14x16。二层以上钢柱为：900x500x30x40。大跨度部分型钢结构总用钢量为：3300吨。用钢量偏高。
3.二、三两层之间设斜杆形成5.4米高空腹钢结构桁架，四层，屋面层为梁上柱9米柱间距。
通过分析比较，显示具有可行性，结构相对合理，二、三两层主梁800x600x20x20，斜撑为600x450x20x25：三层以上钢柱为500x400x20x20：次梁为：500x250x14x16，局部12米开间处次梁为：600x300x14x16。大跨度部分总用型钢结构用钢量为：1940吨。
4.二、三两层间设斜杆形成5.4米高空腹型钢砼结构桁架，四层，屋面层为梁上柱9米柱间距普通砼结构，大跨度部分总用钢结构用钢量为：1680吨，详见附图1。
通过以上计算分析可以看到从第3种和第4种结构形式比较合理可行，造价经济，第4种结构的造价最为经济。
三.结构设计计算和分析
1、PMSAP和MIDAS结构计算和分析
确定采用第4中结构方案后，用PMSAP和 MIDAS分别进行整体计算，因整个结构以二层梁作为桁架的下弦杆，将大跨度桁架跨度范围及附近的楼板设置为弹性板。结构分析采用了扭转藕联振型分析法，考虑P-△效应及偶然偏心作用。结构分析主要计算结果列在下表1中，结构的各项指标能满足规范要求。
结构各层的侧向刚度均大于相邻上1层侧向刚度的70%以及其上相邻3层平均侧向刚度的80%，刚度比满足要求，无明显结构软弱层。
为了更明确地分析桁架构件的内力分布情况，从PMSAP和MIDAS的模型中取同一榀桁架，得到在恒载和活载工况下的弯矩、剪力、轴力。因地震和风载产生的杆件内力很小，对比较结果影响不大，本文不列出。经过比较，PMSAP和MIDAS计算的单榀桁架的内力基本相近，取MIDAS内力结果。
桁架简图如下(中轴对称取半榀)：
恒载和活载工况的内力如下：
从内力图中可以看出下弦杆的边跨弯矩大轴力小，中跨轴力大弯矩小，但总体来说设计截面是以轴力控制的。上弦杆也是以轴力控制的，轴力方向和下弦杆相反为压力。腹杆方面，边跨的3号、4号腹杆所受的轴力最大，但方向相反，3号杆受压力，4号杆受拉力。其余5~8号腹杆受力较小，最终施工图时将5~8号腹杆截面调小了一级。
扰度方面，从PMSAP 和MIDAS的计算结果看，桁架的最大扰度出现在跨中，这与预期相符。PMSAP中扰度与跨度的比值1/1200,MIDAS中扰度与跨度的比值1/1400，两者远小于规范规定的限值。
从设计结果看，所有的杆件都是以轴力作为控制应力进行截面和配筋设计，这跟桁架二力杆的结构力学假定符合。
四.结构设计要点和构造措施
1.空腹桁架连接体结构的设计原则
1). 空腹桁架连接体结构是整个建筑结构中是重要的结构构件，应优先重视其抗震能力和耗能能力的设计，对整个建筑抗震设计，在满足层间刚度比的前提下，应遵循“强转换”的原则，以保证连接转换结构及其下部大空间结构有良好的强度、刚度、延性和抗震性能;
2).对于连接转换结构本身在满足杆件合理刚度比的前提下，应遵循“强底梁、强节点”的原则,底梁受较大的拉力，应保证最底部水平拉杆和节点不形成破坏机构。
3). 连接转换结构上部结构按“强柱弱梁，强边柱弱中柱”的原则，以使塑性铰优先在梁端产生，确保柱有较高的安全储备，以充分发挥弦杆的承载能力和变形能力。
4).对于连接转换结构的截面设计，应遵循“强剪弱弯”的原则,以使构件发生延性较好的受弯破坏，避免延性较差的剪切破坏。
2.合理的结构平面布置
平面布置规则整齐,避免截面的突变，在型钢砼桁架纵向两端布置型钢砼柱，为了保证弯矩有效传递在和空腹桁架相临普通砼梁内设置了1/4跨度的钢骨;在空腹桁架上部同样设置了1/4层高的钢骨。这样一方面满足了型钢组合结构的要求，同时又最大限度的降低建筑的造价。在二、三层处上层有每9米设置柱处的设置横向型钢砼梁形成双向的受力空间，提高结构的抗震性能。
3.合理的节点构造
连接体空腹桁架下弦有很大轴向拉力，因此对弦杆的应力比和节点都做了加强，具体做法详见附图2。
4.连接体楼板的分析设计
结构中的楼板使竖向抗侧力构件协同工作，将上部结构的水平力传递到下部结构，起着非常重要的隔板作用，在楼板内产生较大的变形，这就要求转换桁架及附近楼板按弹性楼板计算，即考虑楼板自身平面内的有限刚度。楼板配筋适当加大，双层双向通长配置，并向两侧延伸一跨。
设缝后结构楼板长度还有96米，属超长结构;因此在大跨度的两端适当位置设计后浇带在施工结顶后两个月以后才能连接，并在屋面板适当加厚到150mm,考虑温度应力屋面配筋适当加大，双层双向通长配置。
五.结束语
通过本项目采用的空腹型钢砼桁架结构实践表明：该种转换结构体系，具有结构合理、传力明确、结构承载力高，能够较好的满足建筑功能要求，空腹型钢砼桁架结构的承载能力和延性明显优普通钢筋砼转换结构，在设计中须重视楼板计算模型对桁架受力的影响，重视弦杆和节点的设计，保证节点构造合理可靠以满足受力性质的要求。因此型钢砼应用方面安全可靠、经济合理、有章可循。在高层建筑和大跨度建筑中部分或全部巧妙应用都有较大的经济效益和使用价值。希望通过本文抛砖引玉在高层和复杂建筑结构中根据实际情况、因地制宜灵活应用，设计和建造出更多更好的建筑，产生更好的经济效益。
参考文献
1.《型钢砼组合结构技术规程》JGJ138-2001[S] 中国建筑工业出版社 2002 北京