高层建筑中大跨度钢桁架转换层的试验研究与理论分析
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摘要
目前，随着高层建筑的迅速发展，建筑功能的要求也日益复杂化。由于钢结构具有良好的受力性能和抗震性能，在土木建筑工程特别是大跨度结构工程中的应用日趋广泛。对于大跨度转换结构构件，采用钢结构来实现是一种很好的选择。带大跨度钢桁架转换层结构的建筑物，由于转换层的跨度大，在竖向荷载作用下，将会产生较大的荷载效应。同时，钢桁架的受力和变形的影响因素很多，特别是在施工阶段，温度作用和桁架端部支承约束条件的影响很大。
关于大跨度钢桁架转换层结构各方面的研究均未见有报道，本文将首次对钢桁架转换层结构的受力和变形性能及其影响因素、阶段施工方法和抗震性能进行了试验研究和理论分析。
首先，对钢桁架转换层的受力影响因素进行了研究。主要进行了温度作用与钢桁架端部支承约束方式对钢桁架受力影响的研究，转换层与上部结构相对刚度变化对钢桁架受力影响的研究，以及转换层与下部结构相对刚度变化对钢桁架受力影响的研究。还对进行钢桁架转换层局部详细受力分析时，其上、下部结构层数的选取进行了探讨。在研究总结的基础上，提出了转换层的阶段施工方案。
对钢桁架转换层阶段施工的全过程进行了模拟试验研究。主要研究了在阶段施工过程中，钢桁架在施工荷载及设计荷载下的受力性能和变形能力；钢桁架与混凝土梁板的共同工作性能；两榀不等跨钢桁架在整体受力下的竖向位移差及其对结构的作用和侧向稳定性；钢桁架端部在施工阶段的滑动情况；使用阶段钢桁架及其端部混凝土结构的受力性能；组合钢桁架结构的极限承载力和破坏形态。
针对模型试验过程，对钢桁架转换层的阶段施工进行了全过程的模拟分析，以理论研究来考察钢桁架与混凝土的组合作用，对两榀桁架的共同作用进行分析，研究施工过程中桁架之间的变形差及其引起的应力；对阶段施工与非阶段施工条件下钢桁架与端部混凝土结构的受力性能进行了对比分析，并与试验结果比较，探讨阶段施工的优点及一些应当注意的问题及解决办法。
对于高层建筑中带大跨度钢桁架转换层的框架—剪力墙结构，分别对不同转换层设置高度下整体结构的动力特性和抗震性能进行了分析，对整体结构的周期和振型、整体结构的位移和层间位移、结构的剪力和层间剪力等方面性能的差异进行了研究；对大跨度钢桁架转换层在竖向地震作用下对其受力的影响进行了研究。全面考察了带钢桁架转换层框架—剪力墙结构的抗震性能。
摘要
最后，总结全文，根据研究结果，针对大跨度钢析架转换层的施工和设计提
出了一些建议。
Currently, along with the quick development of tall buildings, the requests to architectural function become more and more complicated. Due to good performance while suffering static and seismic loading, steel structure is extensively used in civil engineering. For transfer member with large span, it is a kind of good choice to adopt a steel structure. Because of large span, the steel truss transfer member in a tall building will get a huge load effect with a vertical loading. Furthermore, there are many factors on load effect of steel truss, especially temperature function and the constraints at truss end.
Studies concerning to steel truss transfer member with large span, have not been reported yet. It is the first time to set up the research to load effect factors of steel truss transfer member, stage construction methods, and seismic performance by the means of test research and theories analysis.
First, the load effect influence factor to the steel truss transfer story, including temperature load effect and differential constrains at the truss end, relative stiffness change between the transfer story with its upper frame structure, and relative stiffness change between transfer story and its lower frame structure, is studied. At the mean time, discussion about selecting the transfer story's number of upper and lower floor in local analysis is performed. Based on the study, some advices to the staged construction project are suggested.
Next, the simulation experiment of the whole staged construction process of the steel truss transfer story is conducted. In staged construction process, study is primarily aimed at the truss load resistance capacity and flexural performance under construction and design load, combination performances of steel trusses in conjunction with concrete beam, the vertical displacement difference of two steel trusses with different span and their lateral stability, the glide displacement of the steel truss end during construction, the load resistance performance of steel trusses and concrete structure at the designed load, and the extreme limit loads and the
breaking appearance of the combined steel trusses.
According to the whole model experiments process, the theoretical model is constructed and analyzed. Theoretically, studies are primarily on steel trusses combination in conjunction with concrete beam, the vertical displacement difference of two steel trusses with different span and their lateral stability, etc. And the loading resistance performance of the steel truss and concrete structure are studied in staged construction process and non-staged process. With the experiment's result and theoretical studying result, the discussion about character of staged construction is performed. Some problems and solutions in staged construction are put forward. In tall buildings, for frame-shearwall structure with steel truss transfer story with large span, studies on its dynamic characters and seismic performance are performed. With different transfer story location at the structure, the difference analysis about the structures to period and mode, displacement, and shear etc. is performed in detail. And the vertical
load effect to the steel truss transfer story with large span is analyzed.
Finally, according to research results, some suggestions to the design and construction of steel truss transfer story are put forward.
关于大跨度钢桁架转换层结构各方面的研究均未见有报道，本文将首次对钢桁架转换层结构的受力和变形性能及其影响因素、阶段施工方法和抗震性能进行了试验研究和理论分析。
首先，对钢桁架转换层的受力影响因素进行了研究。主要进行了温度作用与钢桁架端部支承约束方式对钢桁架受力影响的研究，转换层与上部结构相对刚度变化对钢桁架受力影响的研究，以及转换层与下部结构相对刚度变化对钢桁架受力影响的研究。还对进行钢桁架转换层局部详细受力分析时，其上、下部结构层数的选取进行了探讨。在研究总结的基础上，提出了转换层的阶段施工方案。
对钢桁架转换层阶段施工的全过程进行了模拟试验研究。主要研究了在阶段施工过程中，钢桁架在施工荷载及设计荷载下的受力性能和变形能力；钢桁架与混凝土梁板的共同工作性能；两榀不等跨钢桁架在整体受力下的竖向位移差及其对结构的作用和侧向稳定性；钢桁架端部在施工阶段的滑动情况；使用阶段钢桁架及其端部混凝土结构的受力性能；组合钢桁架结构的极限承载力和破坏形态。
针对模型试验过程，对钢桁架转换层的阶段施工进行了全过程的模拟分析，以理论研究来考察钢桁架与混凝土的组合作用，对两榀桁架的共同作用进行分析，研究施工过程中桁架之间的变形差及其引起的应力；对阶段施工与非阶段施工条件下钢桁架与端部混凝土结构的受力性能进行了对比分析，并与试验结果比较，探讨阶段施工的优点及一些应当注意的问题及解决办法。
对于高层建筑中带大跨度钢桁架转换层的框架—剪力墙结构，分别对不同转换层设置高度下整体结构的动力特性和抗震性能进行了分析，对整体结构的周期和振型、整体结构的位移和层间位移、结构的剪力和层间剪力等方面性能的差异进行了研究；对大跨度钢桁架转换层在竖向地震作用下对其受力的影响进行了研究。全面考察了带钢桁架转换层框架—剪力墙结构的抗震性能。
摘要
最后，总结全文，根据研究结果，针对大跨度钢析架转换层的施工和设计提
出了一些建议。
Currently, along with the quick development of tall buildings, the requests to architectural function become more and more complicated. Due to good performance while suffering static and seismic loading, steel structure is extensively used in civil engineering. For transfer member with large span, it is a kind of good choice to adopt a steel structure. Because of large span, the steel truss transfer member in a tall building will get a huge load effect with a vertical loading. Furthermore, there are many factors on load effect of steel truss, especially temperature function and the constraints at truss end.
Studies concerning to steel truss transfer member with large span, have not been reported yet. It is the first time to set up the research to load effect factors of steel truss transfer member, stage construction methods, and seismic performance by the means of test research and theories analysis.
First, the load effect influence factor to the steel truss transfer story, including temperature load effect and differential constrains at the truss end, relative stiffness change between the transfer story with its upper frame structure, and relative stiffness change between transfer story and its lower frame structure, is studied. At the mean time, discussion about selecting the transfer story's number of upper and lower floor in local analysis is performed. Based on the study, some advices to the staged construction project are suggested.
Next, the simulation experiment of the whole staged construction process of the steel truss transfer story is conducted. In staged construction process, study is primarily aimed at the truss load resistance capacity and flexural performance under construction and design load, combination performances of steel trusses in conjunction with concrete beam, the vertical displacement difference of two steel trusses with different span and their lateral stability, the glide displacement of the steel truss end during construction, the load resistance performance of steel trusses and concrete structure at the designed load, and the extreme limit loads and the
breaking appearance of the combined steel trusses.
According to the whole model experiments process, the theoretical model is constructed and analyzed. Theoretically, studies are primarily on steel trusses combination in conjunction with concrete beam, the vertical displacement difference of two steel trusses with different span and their lateral stability, etc. And the loading resistance performance of the steel truss and concrete structure are studied in staged construction process and non-staged process. With the experiment's result and theoretical studying result, the discussion about character of staged construction is performed. Some problems and solutions in staged construction are put forward. In tall buildings, for frame-shearwall structure with steel truss transfer story with large span, studies on its dynamic characters and seismic performance are performed. With different transfer story location at the structure, the difference analysis about the structures to period and mode, displacement, and shear etc. is performed in detail. And the vertical
load effect to the steel truss transfer story with large span is analyzed.
Finally, according to research results, some suggestions to the design and construction of steel truss transfer story are put forward.
引文
1．彩龙商业城结构咨询报告，中国建筑科学研究院深圳分院，1994
2．彩龙商业城转换大梁有限元分析报告，中国建筑科学研究院深圳分院，1994
3．彩龙商业城转换大梁配筋设计报告，中国建筑科学研究院深圳分院，1995
4．樊德润、郭泽贤等，南京新世纪工程简介，建筑结构，1996(2)
5．赵西安，带刚性转换层的高层塔楼低层部分内力和位移的简化计算，第11界全国高层建筑结构学术交流会论文集，1990，2
6．包世华、王建东，带弹性转换层的高层建筑结构的简化计算，建筑结构，1995，10
7．珠海香洲湾花园高层商住楼转换厚板设计咨询报告，中国建筑科学研究院深圳分院等，1992，12
8．皇岗花园大厦转换层结构(厚板)模型光弹性试验及有限单元法计算分析，中国建筑科学研究院深圳分院等，1992，12
9．周旭歧，预应力混凝土桁架在高层建筑转换层中的应用，建筑科学，1993，4
10．裘涛、陈学琪等，高层建筑空腹桁架转换层优化设计，结构与地基国际学术研讨会论文集，浙江大学出版社，中国：杭州1994
11．王祖华、吴勇明，多高层建筑中转换层结构体系的分析，建筑结构，1995(2)
12．唐兴荣，巨型框架结构与框架剪力墙结构计算，苏州城建环保学院学报，1996．4
13. Fintel, M, Staggered Transverse wall Beams for Multistory concrete Buildings, Journal of the American Concrete Institute Vol. 65, No, 5, May, 1968
14. Gupta, R, p, and Goel, S.C., Dynamic Analysis of staggered Truss Framing System. Journal of the Structural Division, ASCE, Vol. 98, No, STT, July, 1972
15. Mee, A. L. Jordan, I.A. and Ward, M.A. Wall-Beam Frames Under Static Lateral Load, Journal of the structural Division, ASCE, Vol. 101, No, ST2, Feb., 1975
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17．曾华卿、许敏，钢筋混凝土空腹桁架式框架在房屋加层中的应用研究，建筑结构，1993
18．王祖华、吴勇明，钢筋混凝土错列桁架体系的结构分析，华南理工大学学报(自然科学版)，1993，9
19．唐兴荣、蒋永生等，转换大梁与上部框架结构的协同工作分析，苏州城建环保学院学报，1996，1
20. Maclead, I.A., Shear Wall - Frame Interaction - A Design Aid, Portland Cement Association, 1970
21. Colaco, J.P., and Lombajium, Z.H., Analysis of Transfer Girder system, ACI Journal, Proceedings, V. 68, No. 10, Oct, 1971
22. Henkel D.J., Philips A.B. and Gulager Nielsan E., National Bank House, Melbourne - Foundation Design and Performance, Proceedings, 4th Australian & New Zealand Conference on Geomechanics, Perth, Australian, May, 1984
23. Nutt, J. and Haworth, P., Grosvenor Place, Sydney Report on Transfer System Part 1 - Interaction with Subrounding Structure, Oct, 1984
24. Nutt, J. and Haworth, P., Grosvenor Place, Sydney Report on Transfer System Part 2 -Assessment of Transfer Frames, Oct, 1984
25. Park, Tsuen Wan Residential Blocks, Arup, Journal April, 1981
26.Thompson, P., The U.C.B.C. Center, Amp, Journal Oct, 1976
27. Zunz, B., Hendenrych, R.A. and Michael, D., The New Structure of headquarters for the Hong Kong & Shanghai Banking Corporation, Hong Kong, The Structural Engineers, Sep. Vol. 62A, No. 9, 1985
28. Zunz, B., Hendenrych, R.A. and Michael, D., The Standard Bank Center, Johnnesburg, Proceedings I.C.E., Feb, 1985
29．徐培福等，底层大空间剪力墙结构方案探讨，建筑结构，1981，3
30．底层大空间剪力墙结构研究组，底层大空间剪力墙结构十二层模型试验研究，建筑结构学报，1984，2
31．徐培福，底层大空间剪力墙结构抗震设计，建筑科学，1985，1
32．郝锐坤等，底层大空间剪力墙结构十二层模型拟动力试验研究，建筑科学，1986，4
33．徐培福等，底层大空间上层鱼骨式剪力墙结构的抗震设计，建筑科学，1986，4
34．郝锐坤等，底层大空间上层鱼骨式剪力墙结构十二层模型纵向拟动力试验研究，建筑科学，1986，4
35. XuPeiFu, HaoRuiKun, WuLianZhong, Seismic resistant design of shear wall structure with large space ground floor. Proc. Of 3-rd Inter Conf. On Tall Buildings, Hong Kong and Guang Zhou, 1984
36．王翠坤，赫锐坤等，深圳加福广场大厦模型振动台试验，建筑科学，1996，
3
37．赵宁，郝锐坤等，南京国际商城模型振动台试验，第十四届全国高层建筑结构学术交流会论文集，1996
38．徐培福，王翠坤等，转换层设置高度对框支剪力墙结构抗震性能的影响，建筑结构，2000，1
39．吴绮芸、程绍革等，L形交叉剪力墙框支转换梁受力性能，建筑科学，1997，2
40．吴绮芸、王玉朋等，框支正交主次梁转换层受力性能，建筑科学，1997，5
41．姜敬凯，带有复杂洞口转换梁结构配筋设计方法及工程应用，建筑科学，1995，3
42．唐兴荣、蒋永生等，转换层大梁对高层建筑结构性能的影响，建筑结构，1997，7
43．娄宇，高层建筑中梁式转换层的试验研究及理论分析，东南大学博士学位论文，1996，2
44．廖鸿雁，高层建筑框支开洞剪力墙结构转换大梁的试验研究，华南理工大学硕士学位论文，1995
45．李艳娜，高层建筑中梁式转换层转换大梁的受力性能研究，北方交通大学硕士学位论文，1998
46．曾涛，高层建筑结构梁式转换层的传力机理与试验研究，华南理工大学硕士学位论文，1995
47．方健，高层建筑梁式和空腹桁架式转换层研究，同济大学硕士学位论文，1997
48．申强，预应力混凝土桁架转换层结构抗震性能的试验研究和理论分析，东南大学学位论文，1996，4
49．娄宇等，梁式转换层有限元分析模型的选取，工程力学，1997，2
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52．唐兴荣、蒋永生等，高强混凝土预应力桁架转换层结构性能的试验研究，建筑结构，1998，3
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54．戴国亮、梁书亭等，迭层空腹桁架转换层结构的静力性能分析，东南大学学报(自然科学版)，2000
55．戴国亮，预应力型钢混凝土迭层空腹桁架转换层结构试验研究与理论分析，
东南大学学位论文，2000，4
56．姚世雄，高层建筑箱形转换层结构分析与设计，同济大学出版社，1996
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60．中国建筑科学研究院深圳分院，云景大厦1号楼转换厚板设计咨询报告，1998，4
61．中国建筑科学研究院深圳分院，云景大厦2号楼转换厚板设计咨询报告，1998，4
62．中国建筑科学研究院深圳分院，云景大厦3号楼转换厚板设计咨询报告，1998，4
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65．赵西安，高层建筑转换层结构在竖向地震作用下的直接动力分析，建筑结构，1993，3
66．赵西安、郝锐坤等，高层建筑转换层结构设计建议(上)，建筑科学，1992，3
67．赵西安、郝锐坤等，高层建筑转换层结构设计建议(下)，建筑科学，1992，4
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69．王祖华、吴勇明，多高层建筑中的转换层结构体系，建筑结构，1994，12
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73．王森、魏链，不同高位转换层对高层建筑动力特性和地震作用影响的研究，建筑结构，2002，8
74．傅学怡，带转换层高层建筑结构设计建议，建筑结构学报，1999，4
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学位论文，1999
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77．梁文育，蔡健，钢骨混凝土梁式转换层结构的特点及应用，广东土木与建筑，2003，1
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79．陈学光，型钢混凝土转换层结构的抗震分析研究，四川建筑，2003，6
80．中国建筑科学研究院、深圳大学建筑设计研究院，宽扁梁节点试验研究报告，1991，2
81．中国建筑科学研究院、深圳大学建筑设计研究院，宽扁梁构件试验研究报告，1991，2
82．中国建筑科学研究院、深圳大学建筑设计研究院，深圳文华大厦二层楼面宽扁梁现场载荷试验报告，1992，3
83．中国建筑科学研究院、深圳大学建筑设计研究院，深圳文华大厦地下室顶板宽扁梁现场载荷试验报告，1992，7
84．傅学怡、应诗慧，深圳文华大厦宽扁梁应用，全国第三届高层建筑抗震学术交流会论文集，1992，10
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86．傅学怡、顾磊等，宽扁梁转换结构在深圳大学科技楼中的应用，第十七届全国高层建筑结构学术交流会，2002，11
87．李豪邦，高层建筑中结构转换层的新形式-斜柱转换，建筑结构学报，1997，4
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89．李豪邦、郭晓春，结构设计创新与概念设计，第十七届全国高层建筑结构学术交流会，2002，11
90．肖从真、王翠坤等，珠海信息大厦振动台试验研究，第十七届全国高层建筑结构学术交流会，2002，11
91．王翠坤、肖从真等，深圳福建兴业银行大厦模型振动台试验研究，第十七届全国高层建筑结构学术交流会，2002，11
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25. Park, Tsuen Wan Residential Blocks, Arup, Journal April, 1981
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32．郝锐坤等，底层大空间剪力墙结构十二层模型拟动力试验研究，建筑科学，1986，4
33．徐培福等，底层大空间上层鱼骨式剪力墙结构的抗震设计，建筑科学，1986，4
34．郝锐坤等，底层大空间上层鱼骨式剪力墙结构十二层模型纵向拟动力试验研究，建筑科学，1986，4
35. XuPeiFu, HaoRuiKun, WuLianZhong, Seismic resistant design of shear wall structure with large space ground floor. Proc. Of 3-rd Inter Conf. On Tall Buildings, Hong Kong and Guang Zhou, 1984
36．王翠坤，赫锐坤等，深圳加福广场大厦模型振动台试验，建筑科学，1996，
3
37．赵宁，郝锐坤等，南京国际商城模型振动台试验，第十四届全国高层建筑结构学术交流会论文集，1996
38．徐培福，王翠坤等，转换层设置高度对框支剪力墙结构抗震性能的影响，建筑结构，2000，1
39．吴绮芸、程绍革等，L形交叉剪力墙框支转换梁受力性能，建筑科学，1997，2
40．吴绮芸、王玉朋等，框支正交主次梁转换层受力性能，建筑科学，1997，5
41．姜敬凯，带有复杂洞口转换梁结构配筋设计方法及工程应用，建筑科学，1995，3
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