图1 Arthur Vierendeel 肖像
桁架已经存在很长一段时间了,这一点可以从桁架在古代结构中的使用来证明。人们发现三角形在结构设计中的重要性,当分析三角形桁架时,你可以假设接头是销接的,并且接头处没有弯矩。接头处的力和力矩之和等于零。 比利时工程师Arthur Vierendeel在1896年开发了一种桁架,其型式不是三角形的,而是形成矩形开口,是一种具有固定接头的框架,能够传递和抵抗弯矩。 Vierendel在其1899年的美国专利中所描述的定义是一种梁,“其中对角线被移除,垂直构件通过圆形件与吊杆刚性连接,这样吊杆和垂直构件实际上形成一个整体。” 后人就以Vierendeel命名 这种结构形式。
这种类型的桁架最开始用于一些桥梁,后来也用于建筑包括高层建筑的框架。通过消除对角构件,消除了对门窗矩形洞口的影响。
图2 桁架不同型式
图4 空腹转换桁架在高层应用
图5 空腹悬挑桁架在高层建筑应用
图6 空腹梁结构、机电一体化示意图
二、空腹桁架受力原理
1、空腹桁架的刚度主要靠节点刚度,它和传统三角桁架相比,主要受力、变形特点如下
1)轴力
为了保持力矩平衡,根据截面法,我们知道桁架型式虽有不同,若桁架高度一致,则桁架上下弦杆轴力保持不变。
图7 轴力示意图
2)剪力和弯矩
图8 空腹桁架力分解示意图
图9 空腹桁架剪力、弯矩示意图
3)变形
三角桁架构件中只有轴向拉压变形,整体变形比空腹桁架要小的多,换言之,在满足同等变形的前提下,三角桁架更有效,也更节省材料。
图10 三角桁架、空腹桁架变形示意图
三、空腹桁架的进化
1)均等间隔的”柱子“并不是最佳方式。
2)通常支撑处附近”柱“承受最大的荷载,需要更多材料。
3)在支撑处加密支撑点,缩小”柱“间隔可以更有效。
4)在支撑处附近,可以用墙体把设置过近的“柱”连接起来,是另外一种有效方式。
5)在支撑处采用粗“柱”/实墙,在跨中附近采用较细的“柱”。
6)虽然粗大的“柱”和斜撑会大大折损空腹概念的纯粹性,但是在端部加入斜撑可以集中解决支撑问题。
7)探索空腹桁架的布置,增加/改变“柱”的刚度,产生无穷无尽的设计方案,这种探索可以成为一种对材料和美学的处理。
图11 Ceicel关于空腹桁架的草图 @Arup
四、空腹桁架设计注意事项
1、空腹桁架应注意施工工况模拟,即空腹桁架形成前临时支撑是不可拆除。计算分析应考虑一次性加载模式。
2、空腹桁架/框架,由于采用刚接节点,对沉降/变形较敏感,支座的变形,甚至可以引起空腹框架内力方向改变。例如下图中核心筒长期收缩效应,构件内力发生改变
图12 初始状态下弯矩图@Arup
图13 空腹框架的长期轴向缩短效应 @Arup
3、空腹桁架(框架)整体刚度要弱于传统三角桁架,对楼板振动会比较敏感,需要注意复核楼板舒适度是否满足要求,甚至要考虑人群激励荷载。
4、 空腹桁架(框架)传力路径少,冗余度较低,对于大悬挑、具有转换功能的空腹结构,需要复核结构抗连续倒塌能力。
5、空腹桁架(框架)竖杆与弦杆应设计成刚接节点(节点也可以采用加腋加强)
三、案例介绍
1、德国法兰克福商业银行
1)项目概况
此大厦为德国商业银行的总部,高260米,共56层采用先进的组合结构建造。带天窗的中庭和螺旋而上的"空中花园"成为该建筑的一大特色。每12层为一"组",其中上面8层为办公室,下面4层为花园(见图4、5)。90年代诺曼福斯特就把共享空间融入绿色环保办公建筑设计中,鼓励不同部门人之间进行互动交流。一个中央中庭,该中庭延伸了整个建筑的高度,以提供自然光和交叉通风。
图14 实景效果图
图15 建筑剖面示意图
图16 空中花园内景图 图17 建筑平面图
2)结构方案
图18 结构重力体系示意图 @Arup
图19 结构动力特性 @Arup
图20结构构件敏感性分析及优化 @Arup
3)收缩徐变对空腹框架的影响
、 图21长期收缩徐变的影响 @Arup
4)制作与安装
图22 模块化拆分和组装示意图 @Aru
2、杭州大运河博物馆
1)项目概况
本项目由设计鸟巢的建筑师赫尔佐格德梅隆事务所设计。浙江省院为设计总包,Arup负责结构、机电、幕墙、交通、灯光五个专业的方案到初步设计的工作。项目简单介绍可以参考如下链接 大运河杭州项目开工特辑02:京杭大运河博物院 以及建筑竞赛时的介绍 京杭大运河博物院建筑概念性设计方案”专家评审会
图23 建筑立面效果图 @HDM
图24东立面L8-9采用整层高空腹桁架作为转换桁架
图25内中庭空腹框架透视图
图26内中庭空腹框架力传递示意图
3、其他项目的案例简介
图27 杭州英蓝项目效果图 @ARQ
图28 杭州英蓝项目平面及空腹悬挑示意图 @Arup
图29 杭州英蓝项目主体结构现场照片 @Arup
四、有关抗震超限的探讨
五、后记
参考资料
1、Arup Journal
2、《Cecil Balmond》
3、Arup 杭州京杭大运河博物馆结构方案报告
4、Arup 杭州英蓝项目抗震超限审查报告
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钢结构工程
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