超高层建筑结构环带桁架的研究与设计

超高层建筑结构环带桁架的研究与设计

张成林

云南省城乡规划设计研究院 云南昆明 650000

摘要：在城市超高层建筑中，环带转换桁架在抗侧刚度、载荷转换发挥关键性作用。本文以某实际工程为例，初步阐述环带桁架的基本原理和效率性，其次是模拟施工安装仿真分析，展开对结构环带桁架的研究与设计，提出相应的结论，展望该技术在现代超高层建筑体系中的发展前景。

关键词：超高层建筑结构环；桁架；研究；设计

引言：框架-核心筒结构是超高层建筑中比较常见的结构体系，采用传统伸臂桁架，遇到结构抗侧刚度不足情形，会造成结构内力突变连接节点复杂、拖延施工进程、降低施工质量安全等。环带桁架加强层的应用，在水平作用下，经过加强楼核心筒的转动，促使环带上下弦能够协调变形，在框架中形成一对竖向力偶（方向相反），降低核心筒倾覆力矩和变形，简单可概括为“虚拟伸臂”的基本原理。本文进一步探讨超高层建筑结构环带桁架的研究与设计，运用数值计算模型分析参数变化，根据实际工程案例，为工程应用丰富决策依据。

1 超高层建筑结构环带桁架基本原理及效率性分析

1.1 结构环带桁架基本原理

环带桁架的基本原理与传统伸臂桁架具有相同点，但省去与核心筒相连的环节，经顺沿外围框架，搭建若干圈环带桁架或环带墙，运用整个框架柱的空间，有效防止外框出现剪力滞效应。环带桁架于水平作用下，通过加强层核心筒的转动，呈现上、下弦在楼板中呈现方向相反的移动轨迹趋势[1]。在变形协调影响下，环带桁架传力路径更长，降低对核心筒转动束缚，但其抗侧效率相对较低。因此，环带结构适用于对侧向刚度需求小的建筑体系中，既能缩减建筑使用空间，又能优化结构刚度及结构内力系统，还能减小因变形差异引发的附加内力。

在整个稀柱框架-核心筒结构中，传统伸臂桁架和环带桁架呈现出的“虚拟伸臂”显著不同，前者核心筒的倾覆力矩将伸臂桁架作为介质，传输到翼缘框架中；后者降低或消除剪力滞后效应，改变加强层楼板约束，使倾覆力矩传递至外框，此时外框也就有了力的作用。

1.2 结构环带桁架效率性

1.2.1 工程概况

某城市金融中心T1塔楼项目工程，整个结构高305m，层数65层，标准层高4.49m，首层通高大堂（F1、F2、层高5.9m），设备层（F10、F23、F33、F43、F53、F63），楼层平面尺寸为49m*49m，结构高宽比6.1，核心筒尺寸30m*30m，其高宽比9.8，运用有限元软件（ETABS）构件数值分析模型，其结构体系呈现为“稀柱框架-混凝土核心筒结构”。运用基准模型设计与分析传统伸臂桁架应用。此工程建设标准为抗基本风压（0.75 kN·m-2）、抗震设防烈度（7度），地面粗糙度满足A-C标准，拟定静力荷载，对比各项参数依据。

1.2.2 效率分析

（1）抗侧效率：创建环带桁架、伸臂桁架、环带桁架+伸臂桁架三种方式。环带桁架周期5.84s、顶点位移493.9mm、外框承担的倾覆力矩比例14.2%、加强层传递的倾覆力矩666.5MN·m、加强层核心筒的建立变化66368（F32）kN；伸臂桁架周期5.12s、顶点位移375.8mm、外框承担的倾覆力矩比例28.8%、加强层传递的倾覆力矩3048.6MN·m、加强层核心筒的建立变化80386（F33）kN；环带桁架+伸臂桁架周期4.95s、顶点位移349.7mm、外框承担的倾覆力矩比例31.7%、加强层传递的倾覆力矩3390.6MN·m、加强层核心筒的建立变化108857（F33）kN；经过数据分析，在设置伸臂桁架后，环带桁架抗侧效率较低，两者联合后，既保障有效的抗侧效率，又使翼缘框架的剪力滞后效应有所改观。（2）单道环带桁架位置效率性：采取布置1道环带桁架方式，建筑高层的中间位置结构周期最小（F33层），将结构周期目标转移到结构顶点位移目标上，在F43层，大约2/3建筑高度，环带桁架效率较高（见图1）。（3）两道环带桁架位置效率性：采用三种环带桁架设置方式，一是环带位置无、环带高度0m、周期6.16s、顶点位移558.8mm、层间位移角1/429、传递的倾覆力矩0MN·m、外框倾覆力矩比例7.2%，二是F33+F43、环带高度6+6m、周期5.84s、顶点位移493.9mm、层间位移角1/478、传递的倾覆力矩666.5MN·m、外框倾覆力矩比例14.1%（见图2），三是F43附近位置、环带高度12m、周期5.79s、顶点位移482.3mm、层间位移角1/488、传递的倾覆力矩882.4MN·m、外框倾覆力矩比例14.3%，数据表明两道环带桁架处在F43附近处，其作用更显著，结构顶点位移变化小，而刚度则更大，所以在情况允许下，应事先设置两层环带桁架在建筑物大约2/3位置处，比分别布置环带桁架效果要好。

图1 单道环带桁架结构

图2 倾覆力矩统一解法

2 超高层建筑结构环带桁架模拟施工安装仿真分析

2.1 高空散装法

高空散装法，是指将结构杆件设置在高空设计位置、相互组合拼装的方法，在施工中因作业任务多，会耗费大量的人力无，消耗较多的拼装支撑材料。该方法优势在无需借助于大型重工机械，但对于超高层建筑，无法保障数据精度和准确性，也极易埋下安全隐患，该在建筑工程中已经逐渐被淘汰掉[2-3]。

2.2 整体安装法

整体吊装法，是指依根据结构设计总体拼装后，运用大型机械设备吊装到相应位置的施工方法，该方法不仅缩减空间作业任务量，而且提升焊接质量和数据精准性。然而整体吊装法对机械设备性能要求严格，需要花费大量的成本，既加大其经济性，又在一定程度上延误施工进度。

2.3 分单元安装法

分单元安装法，又叫做分段安装法，或者是分块安装法，根据整个结构和施工标准，划分若干个阶段，逐一采取分段加工和拼装的方式。分段安装法应用中对尺寸和数据要求高，特别是高空拼装作业时，应尽量减小节点参数误差，否则会产生一些次应力，严重影响到施工质量安全。分段安装以分段、分单元为依据，经过在地面上完成拼装，减少高空作业量，既提升安全精度和准确性，又极大地保障安装质量。值得注意的是，该方法对临时支撑结构要求较高，需同时满足支撑作用中的承载力和稳定性。对于建筑体中的临时支撑结构，人们主要采用工字钢，使用高强螺栓加以稳固[4]。

2.4 施工安装的仿真分析

根据本工程有限元模型，分析分段安装施工过程中的变形和受力情况，模型为杆单元体系，构件梁单元模型，以轴压和轴拉为主，于每1节点进行刚接作业。由于整体安装和分阶段安装差异化严重，前者是重力荷载一次性施工，求解平衡方程；后者采取时段离散来执行施工工序，将各分阶段作为固定不变的结构，每1阶段的参数设计借鉴上1阶段，分析环带桁架施工安装的平衡状态、内力影响和位移变化。本工程三种施工方案如表1所示。

表1 环带桁架施工安装方案

经过采取分段试验的方法，施工方案1、方案2、方案3在施工步①跨中位移和最大应力（见表2）。经过数据对比分析与方案1和方案，方案3的跨中位移和应力最小，其原因是内外两侧单篇桁架的安装，产生的整个刚度较大，使得跨中挠度变小；方案2在施工②、③步呈现出从平缓到急剧上升变化，这是安装下线水平腹杆引发的；方案1各个施工步缓慢递增。因此，从数据上看方案3虽然高效可观，但单片桁架质量较大，容易引发失稳问题，为考虑工程质量安全，建议借鉴前两个施工方案。

表2 不同施工方案中各施工步的位移及最大应力变化值

3 超高层建筑结构环带桁架的研究与设计

3.1 环带桁架的组成形式

环带桁架在超高层建筑结构中作用重大，与次桁架、伸臂桁架、斜撑等共同组成加强层，期间还是转换桁架，经将楼面荷载传递到巨柱，既抵抗外荷载及地震，又转移和减小载合力。环带桁架包括单层环带桁架和双层环带桁架，结构形式有L形、U形，结构是巨柱中的抗弯连接构件，降低地震及侧向风荷载的上拔力。环带桁架在施工中有很多不可控因素，需要结合实际工程情况，明确环带桁架钢量、构件截面尺寸，合理规划整个施工周期[5-6]。

根据本工程实践，环带桁架作为关键构件，应明确设定抗震性能目标选取，如大震时塑性、中震不屈服、小震保弹性等，期间钢材应力控制合理范围，环带桁架中楼板、核心筒、外框等性能水平超出自身结构，确保在抗震设计水准下具有一定的抗侧能力。此外，还应根据环带桁架弹塑性，围绕工程分析与评估框架柱、核心筒、上下楼弦等性能情况。

3.2 弦杆和腹杆的设计

本工程在水平荷载作用下，核心筒的剪力经环带桁架的变形协调后，传输到环带桁架上，随着“虚拟伸臂”作用突出，其外框倾覆力、环带桁架内力也相应增加。如果加氢层楼板是钢型，环带桁架弦杆轴向为0，难以客观检测弦杆内力，细分尺寸也会影响内力，楼板单元细分尺寸越大，弦杆受力情况无法准确判断。对于环带桁架楼板设计，水平荷载作用中核心筒转动情况，与加强层楼板有着直接关系，剪应力的产生表明其应力状态，对此应设置环带桁架楼板适宜厚度，注重环带桁架层周边核心筒及外框设计，采用弹性楼板假定，确保外框和核心筒共同作用下的水平荷载。因此，施工中应重视对关键结构件的设计，尽量选用刚度不折减的弹性楼板，明确各自的楼板单元的细分尺寸。

3.3 环带桁架施工及节点分析

研究中为了能满足工程建设需求，根据有限元模型框架，明确施工任务和节点内容。环带桁架研究与设计遵循以下几点原则：一是充分考虑周边环境、边界因素、荷载力等，选取巨柱和桁架节点，简化整个巨柱截面设计，因环带桁架和X形支撑外围施工材料，需要侧重安全地假设的阶段区域，对于各节点的连接位置，需要采取合适的刚接方式，用来弥补焊接及螺栓连接的不足之处；二是在分析节点应根据巨柱节点性能，利用钢骨和混凝土的共同作用，对于ABAQUS分析，应将钢骨嵌入到混凝土中；三是考虑到巨柱节点的复杂性，为避免出现一些缺陷和加工残余现象，应结合实际情况全面分析残余应力的影响，本文采取初应力的方法，取得一些进展，因实验条件受到限制，无法进一步精确分析残余应力。

环带桁架层楼板和核心筒的连接节点分析，实际工程中核心筒施工在前，楼板施工在后，因两者连接脆弱，楼板剪应力变化显著，需要采取优化构造的举措，确保水平方向下剪应力的合理传递。根据环带桁架层楼板设计，可在加强层合格性挖侧铺设1圈楼板（钢板组合），或者是运用卡槽式连接方式，促进水平方向剪力在核心筒、楼板间的正常传递。对于环带桁架层楼板和弦杆设计，为加强楼板内力的传递，应以符合实际受力需求为基础，运用钢结构构件、楼板等，明确桁架弦杆的轴力梯度，推动楼板剪力高效开展[7]。

4 结论

本研究结合某工程对环带桁架的研究与设计，提出以下几点结论：（1）环带桁架体系因对比各个施工环节，尤其是范围广、跨度大、体量多的环带桁架按照，建议采取划分小单元和局部支撑的方式。（2）环带桁架的“虚拟伸臂”作用既降低核心筒于水平方向的倾覆力矩，又能避免出现结构变形现象，如果结构对抗侧刚度要求不高，应规范环带桁架加强层设计。（3）环带桁架应明确性能目标，根据楼层板建立，重视各连接节点设计，其厚度可按照抗剪承载力来布置。当然，本研究还要很多不足之处，今后应加强理论和实践分析。

5 展望

随着我国城镇化建设进程的加快，高层和超高层建筑规模和范围不断扩大，成为缓解人口压力的有效方式，在一定程度上也推动城市建设与发展。全球范围内超高层建筑整体高度相继超出300m和600m，我国超高层建筑技术近年来发展迅猛，创建出高层建筑的巨型混合结构体系，如巨型框架-核心筒-伸臂桁架等，上海中心大厦就是应用了这种结构体系。超高层建筑中的巨型结构体系的主结构对抗侧刚度要求高，不管是抗侧力构件，还是结构竖向构件，都需符合荷载、地震、风力等荷载指数，很多专家对竖向地震作用下受到破坏严重的框架柱加以分析，大都认为今后应加强巨型柱的竖向地震作用研究，最大化地降低竖向地震相应[8]。

结束语：本文经对超高层建筑结构环带桁架设计与应用展开研究，分析的结论、建议及展望，对今后的相关可行性研究提供借鉴作用。

参考文献：

[1]杜磊,张维荣,高磊华,王运成.多层钢悬挂桁架结构设计分析——以阿里云创新中心·智汇谷产业基地一期S1#楼为例[J].工程技术研究,2022,7(07):193-196.

[2]王家启,吕金浩.前支点挂篮无底空箱室可升降整体桁架结构模板施工技术研究——以涡河五桥主桥主梁施工为例[J].工程技术研究,2022,7(06):61-63.

[3]唐颖卓,卢光宇,蔡国平.基于绳索作动器的大型太空望远镜桁架结构的振动主动控制[J].应用数学和力学,2022,43(02):123-131.

[4]胡锦秀,闫丽娟,秘殿霄.单跨无风撑桁架结构竹质桥梁模型的设计与制作——以2021年山东省大学生结构设计竞赛为例[J].四川建筑科学研究,2021,47(06):30-36.

[5]陈川函.大跨度管桁架结构施工技术应用——以湄洲湾职业技术学院迁建项目体育馆工程为例[J].福建建材,2021(10):74-76.

[6]陈勇,简斌,刘冲.主余震序列地震作用下一级抗震预应力型钢混凝土空腹桁架转换层框架结构抗震性能研究[J].工业建筑,2021,51(08):45-52+105.

[7]刘浩晋,张涛,李丰晨.福建省建筑科学研究院建筑设计生产基地大跨度跨层转换桁架结构创新设计[J].结构工程师,2021,37(04):181-187.

[8]莫华晴.预应力混凝土钢管桁架叠合板在钢筋混凝土大跨度、大荷载结构中的应用[J].大众标准化,2021(13):254-256.

[9]尹伟康,徐麟,彭林海,谭智诚,周定.超高层框架-带加强桁架双扁筒结构体系抗震性能及破坏模式研究[J].建筑结构,2021,51(S1):660-666.

[10]黄信,朱旭东,胡雪瀛,黄兆纬,齐麟.不对称收进框架-核心筒-伸臂高层结构抗震性能分析与设计[J].建筑结构学报,2020,41(S2):349-356.