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摘要：某連廊跨度約為55m，結(jié)構(gòu)可利用高度為9.0m，平面寬度為7.5m。平面投影呈曲線(xiàn)型，在豎向荷載下存在較大的偏心，從而引起結(jié)構(gòu)整體受扭。采用立面曲線(xiàn)鋼桁架結(jié)構(gòu)，上下樓面設(shè)置水平桁架，以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度。主要介紹了連廊結(jié)構(gòu)體系的選型與布置、設(shè)計(jì)依據(jù)、結(jié)構(gòu)分析結(jié)果、樓蓋舒適度分析以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。重點(diǎn)對(duì)樓面梁系的方案選型和樓蓋舒適度進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

關(guān)鍵詞：大跨度連廊；曲線(xiàn)桁架；整體受扭；樓蓋舒適度；節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1工程概況

本工程位于廣州市黃埔區(qū)科學(xué)城內(nèi)，總建筑面積為13.64萬(wàn)m2，地下5層，地上部分由抗震縫分為5個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元，如圖1所示。其中1#塔樓地上20層，結(jié)構(gòu)高度約94.5m，功能主要為辦公；2#塔樓地上15層，結(jié)構(gòu)高度約70.5m，功能主要為辦公、餐廳等；綜合樓地上6層，結(jié)構(gòu)高度30m，主要功能為大堂、多功能廳、展覽、培訓(xùn)等；裙樓地上4層，結(jié)構(gòu)高度約19.5m，主要功能為裙樓、游泳池等；南側(cè)大跨度架空連廊連接2#塔樓與裙樓，功能為健身房，2層通高，屋面為綠化跑道。本文重點(diǎn)介紹此連廊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)依據(jù)

本工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為0=1.0，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.1g，所屬的設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，屬丙類(lèi)建筑，應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度進(jìn)行地震作用計(jì)算并確定其抗震措施。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，本工程50年一遇的基本風(fēng)壓為0.50kN/m2，地面粗糙度為B類(lèi)，風(fēng)荷載體形系數(shù)取1.3。風(fēng)載風(fēng)振系數(shù)和風(fēng)壓高度z變化系數(shù)按荷載規(guī)范要求取值。根據(jù)建筑使用功能的要求，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行樓屋面活荷載取值，屋面覆土厚度為300mm，另考慮一層夾層荷載，夾層活荷載取3.5kN/m2。

3結(jié)構(gòu)選型與布置

大跨度連廊的跨度約55m，高度為9.0m，寬度為7.5m。為保證主體結(jié)構(gòu)的規(guī)則性，連廊兩側(cè)與2#塔樓和裙樓之間設(shè)置抗震縫，形成獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單元。為提高連廊結(jié)構(gòu)的水平承載力及整體抗側(cè)剛度，與建筑專(zhuān)業(yè)配合在連廊兩端設(shè)置剪力墻（見(jiàn)圖2）。結(jié)合建筑立面效果，架空連廊采用鋼桁架結(jié)構(gòu)體系。在連廊外側(cè)設(shè)置兩榀整層桁架，根據(jù)建筑功能需要，內(nèi)側(cè)桁架支承于型鋼柱上，外側(cè)桁架支承于剪力墻上，如圖3所示。由于連廊平面走向?yàn)榍€(xiàn)型，桁架整體受力類(lèi)似曲梁。曲線(xiàn)梁彎矩和扭矩以及剪力發(fā)生耦合，其受力特性比直線(xiàn)梁要復(fù)雜。該扭矩需由上下樓面與立面縱向桁架形成一個(gè)整體類(lèi)似箱型截面的大梁來(lái)承擔(dān)，與混凝土受扭構(gòu)件變角空間桁架理論類(lèi)似［1］，因此樓面系統(tǒng)需有足夠的抗剪能力。在曲線(xiàn)梁的有限元研究方面，眾多學(xué)者取得了豐富的成果［2-4］，在此借鑒其有限元分析得到的受力特征，進(jìn)行曲線(xiàn)桁架受力分析與研究。由于混凝土樓板與縱向桁架斷面之間的剪力流不能直接傳遞。同時(shí)樓板會(huì)受到縱向弦桿傳來(lái)的拉壓力，其抗拉承載力較低，加厚樓板又會(huì)增大荷載，因此不考慮混凝土樓板傳力。樓面梁系采用支座簡(jiǎn)化模型進(jìn)行方案對(duì)比分析（見(jiàn)圖4）：［方案1］：樓面鋼梁兩端固接-加水平斜撐；［方案2］：樓面鋼梁兩端固接-無(wú)水平斜撐；［方案3］：樓面鋼梁兩端鉸接-無(wú)水平斜撐；［方案4］：全部腹桿兩端鉸接-加水平斜撐。各方案在豎向荷載組合（1.35D+0.98L）下的桿件內(nèi)力如圖5~圖8所示。由以上分析結(jié)果可知：⑴方案1相當(dāng)于在連廊上下樓面設(shè)置了帶斜腹桿的平面桁架，抗剪能力最強(qiáng)，結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度最大，其受力最接近混凝土受扭構(gòu)件變角空間桁架，最終表現(xiàn)為弦桿軸力最大，弦桿受扭拉力與豎向荷載作用下的拉壓力疊加，因此下弦跨中拉力比上弦壓力大。⑵方案2相當(dāng)于在連廊上下樓面設(shè)置了空腹桁架，其抗剪能力由桿件局部受彎來(lái)實(shí)現(xiàn)，桿件平面外彎矩較方案1明顯增大，相應(yīng)的其弦桿軸力較方案1略小，由于兩榀立面桁架聯(lián)系減弱，兩榀桁架的弦桿內(nèi)力較方案1更接近。⑶方案3樓面鋼梁兩端鉸接，兩榀立面桁架的聯(lián)系最弱，結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度最差，曲線(xiàn)桁架平面偏心引起的扭矩主要由弦桿局部受扭和平面外整體受彎來(lái)承擔(dān)。因此，其弦桿扭矩和平面外彎矩均較大，方案不合理。⑷方案4中全部腹桿均兩端鉸接，桿件以軸力為主，鉸接對(duì)桁架受力影響不大，因此各結(jié)果與方案1基本一致，與概念相符。⑸在豎向荷載作用下，桁架平面圖投影的變形圖可見(jiàn)，樓面梁聯(lián)系越弱，結(jié)構(gòu)整體抗扭剛度越差，跨中平面外變形越大，方案3跨中節(jié)點(diǎn)平面外位移達(dá)到61mm，設(shè)計(jì)不合理。⑹同時(shí)考慮到水平風(fēng)荷載和地震作用，樓面必須設(shè)置水平斜腹桿。由于曲線(xiàn)桁架受力復(fù)雜，且腹桿長(zhǎng)度較大，構(gòu)件截面均采用箱型截面，關(guān)鍵構(gòu)件的截面如表1所示。

4結(jié)構(gòu)分析主要結(jié)果

4.1結(jié)構(gòu)分析模型

由于連廊桁架結(jié)構(gòu)與兩端混凝士結(jié)構(gòu)在材料屬性、剛度及質(zhì)量分布等方面均有本質(zhì)區(qū)別，在結(jié)構(gòu)分析中若僅對(duì)鋼結(jié)構(gòu)桁架進(jìn)行建模分析，往往會(huì)忽視上下部結(jié)構(gòu)的相互影響，不能真實(shí)反映支座的實(shí)際剛度。因此采用SAP2000和盈建科建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊對(duì)上下部整體結(jié)構(gòu)建模分析。

4.2結(jié)構(gòu)分析結(jié)果

4.2.1動(dòng)力特性本工程第1振型為整體短向平動(dòng)，第2振型為連廊豎向振動(dòng)振型，第3振型為整體扭轉(zhuǎn)振型，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與剛度分布基本均勻，無(wú)過(guò)大的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)（見(jiàn)圖9）。

4.2.2整體指標(biāo)及桁架變形結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載和地震作用下的最大層間位移角分別為1/4484、1/3757，X、Y向剪重比分別為6.5、3.8。X、Y向剛重比分別為167、38。各項(xiàng)整體指標(biāo)均滿(mǎn)足規(guī)范限值要求，且有較大富余，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由豎向荷載工況下的承載力控制。另外，曲線(xiàn)桁架在1.0D+1.0L組合下，跨中最大撓度為57mm（撓度與跨度比為1/930），小于鋼結(jié)構(gòu)撓度限值L/400，滿(mǎn)足規(guī)范要求。在Y向風(fēng)和Y向地震作用下，桁架水平最大位移小于10mm，均滿(mǎn)足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

5樓蓋舒適度分析

本工程曲線(xiàn)桁架跨度大，樓面梁截面高度較小，為保證樓蓋結(jié)構(gòu)具有適宜的舒適度，進(jìn)行豎向振動(dòng)計(jì)算分析。根據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第3.7.7條：樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)頻率不宜小于3Hz，豎向振動(dòng)加速度峰值不應(yīng)超過(guò)表2的限值。樓蓋結(jié)構(gòu)第1豎向振動(dòng)頻率為2.63Hz<3Hz，應(yīng)進(jìn)行豎向振動(dòng)加速度分析，加速度限值按規(guī)范插值為0.20m/s2。根據(jù)文獻(xiàn)［5，6］，在健身房?jī)?nèi)進(jìn)行有節(jié)奏運(yùn)動(dòng)的人群對(duì)環(huán)境的振動(dòng)要求較低，加速度限值可取為0.05g。阻尼比取0.02，采用SAP2000有限元分析軟件進(jìn)行分析，所用時(shí)程函數(shù)參考蔡靜敏等人［7］和Bachmann［8］測(cè)出的單人跑步模式的頻率與荷載時(shí)程，如圖10所示。連廊單層建筑面積約為400m2，根據(jù)建筑使用要求，容納人數(shù)為100～200人，最大人群密度為1/2=0.5m-2，根據(jù)德國(guó)人行橋設(shè)計(jì)指南EN03，完全同步人群密度為n=1.85/S=0.065m-2（其中，S為作用面積；n′為作用面積為S時(shí)的行人數(shù)）。對(duì)連廊下層跨中節(jié)點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)激振分析，對(duì)連廊下層整層進(jìn)行人群激振分析。由圖11可見(jiàn)，該層樓蓋在人群激振荷載作用下，姨n′跨中不利點(diǎn)豎向振動(dòng)加速度最大值為0.09m/s2，小于0.20m/s2，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

6節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于桁架桿件均為箱型截面，節(jié)點(diǎn)采用相貫焊，受力較大的次構(gòu)件與主構(gòu)件連接時(shí)在主構(gòu)件內(nèi)設(shè)置對(duì)應(yīng)的加勁肋。桁架與端部型鋼混凝土柱連接時(shí)，弦桿腹板與柱內(nèi)型鋼翼緣對(duì)接焊，為提高鋼梁支座抗扭剛度，鋼梁上下翼緣貫通［9，10］，并開(kāi)灌漿孔以便于澆搗混凝土。斜腹桿則僅連接腹板，翼緣在柱位截?cái)啵摴?jié)點(diǎn)構(gòu)造大樣如圖12所示。

7結(jié)論

由于該大跨度連廊的平面走向?yàn)榍€(xiàn)，與直線(xiàn)型桁架受力有很大的差別，整體偏心帶來(lái)的扭矩是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。利用樓面系統(tǒng)和立面桁架形成空間筒體以承受豎向荷載下的扭矩。分析結(jié)果顯示，本工程結(jié)構(gòu)傳力路線(xiàn)明確、直接，理論計(jì)算的各項(xiàng)指標(biāo)以及樓蓋舒適度均能滿(mǎn)足規(guī)范的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)既能夠滿(mǎn)足受力安全的要求，又能滿(mǎn)足建筑功能及造型的要求。

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作者：薛曉娟 單位：華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司