大跨度連廊曲線桁架結構設計范文

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摘要：某連廊跨度約為55m，結構可利用高度為9.0m，平面寬度為7.5m。平面投影呈曲線型，在豎向荷載下存在較大的偏心，從而引起結構整體受扭。采用立面曲線鋼桁架結構，上下樓面設置水平桁架，以增強結構整體抗扭剛度。主要介紹了連廊結構體系的選型與布置、設計依據、結構分析結果、樓蓋舒適度分析以及關鍵節點設計。重點對樓面梁系的方案選型和樓蓋舒適度進行了詳細的分析。

關鍵詞：大跨度連廊；曲線桁架；整體受扭；樓蓋舒適度；節點設計

1工程概況

本工程位于廣州市黃埔區科學城內，總建筑面積為13.64萬m2，地下5層，地上部分由抗震縫分為5個獨立的結構單元，如圖1所示。其中1#塔樓地上20層，結構高度約94.5m，功能主要為辦公；2#塔樓地上15層，結構高度約70.5m，功能主要為辦公、餐廳等；綜合樓地上6層，結構高度30m，主要功能為大堂、多功能廳、展覽、培訓等；裙樓地上4層，結構高度約19.5m，主要功能為裙樓、游泳池等；南側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。本文重點介紹此連廊的結構設計。

2結構設計依據

本工程的結構設計使用年限為50年，安全等級為二級，結構重要性系數為0=1.0，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.1g，所屬的設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，屬丙類建筑，應按本地區抗震設防烈度進行地震作用計算并確定其抗震措施。根據《建筑結構荷載規范》，本工程50年一遇的基本風壓為0.50kN/m2，地面粗糙度為B類，風荷載體形系數取1.3。風載風振系數和風壓高度z變化系數按荷載規范要求取值。根據建筑使用功能的要求，按《建筑結構荷載規范》進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結構選型與布置

大跨度連廊的跨度約55m，高度為9.0m，寬度為7.5m。為保證主體結構的規則性，連廊兩側與2#塔樓和裙樓之間設置抗震縫，形成獨立的結構單元。為提高連廊結構的水平承載力及整體抗側剛度，與建筑專業配合在連廊兩端設置剪力墻（見圖2）。結合建筑立面效果，架空連廊采用鋼桁架結構體系。在連廊外側設置兩榀整層桁架，根據建筑功能需要，內側桁架支承于型鋼柱上，外側桁架支承于剪力墻上，如圖3所示。由于連廊平面走向為曲線型，桁架整體受力類似曲梁。曲線梁彎矩和扭矩以及剪力發生耦合，其受力特性比直線梁要復雜。該扭矩需由上下樓面與立面縱向桁架形成一個整體類似箱型截面的大梁來承擔，與混凝土受扭構件變角空間桁架理論類似［1］，因此樓面系統需有足夠的抗剪能力。在曲線梁的有限元研究方面，眾多學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，進行曲線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。同時樓板會受到縱向弦桿傳來的拉壓力，其抗拉承載力較低，加厚樓板又會增大荷載，因此不考慮混凝土樓板傳力。樓面梁系采用支座簡化模型進行方案對比分析（見圖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-無水平斜撐；［方案3］：樓面鋼梁兩端鉸接-無水平斜撐；［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）下的桿件內力如圖5~圖8所示。由以上分析結果可知：⑴方案1相當于在連廊上下樓面設置了帶斜腹桿的平面桁架，抗剪能力最強，結構整體抗扭剛度最大，其受力最接近混凝土受扭構件變角空間桁架，最終表現為弦桿軸力最大，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相當于在連廊上下樓面設置了空腹桁架，其抗剪能力由桿件局部受彎來實現，桿件平面外彎矩較方案1明顯增大，相應的其弦桿軸力較方案1略小，由于兩榀立面桁架聯系減弱，兩榀桁架的弦桿內力較方案1更接近。⑶方案3樓面鋼梁兩端鉸接，兩榀立面桁架的聯系最弱，結構整體抗扭剛度最差，曲線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承擔。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，鉸接對桁架受力影響不大，因此各結果與方案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，樓面梁聯系越弱，結構整體抗扭剛度越差，跨中平面外變形越大，方案3跨中節點平面外位移達到61mm，設計不合理。⑹同時考慮到水平風荷載和地震作用，樓面必須設置水平斜腹桿。由于曲線桁架受力復雜，且腹桿長度較大，構件截面均采用箱型截面，關鍵構件的截面如表1所示。

4結構分析主要結果

4.1結構分析模型

由于連廊桁架結構與兩端混凝士結構在材料屬性、剛度及質量分布等方面均有本質區別，在結構分析中若僅對鋼結構桁架進行建模分析，往往會忽視上下部結構的相互影響，不能真實反映支座的實際剛度。因此采用SAP2000和盈建科建筑結構計算模塊對上下部整體結構建模分析。

4.2結構分析結果

4.2.1動力特性本工程第1振型為整體短向平動，第2振型為連廊豎向振動振型，第3振型為整體扭轉振型，結構的質量與剛度分布基本均勻，無過大的扭轉耦聯效應（見圖9）。

4.2.2整體指標及桁架變形結構在風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。各項整體指標均滿足規范限值要求，且有較大富余，結構設計由豎向荷載工況下的承載力控制。另外，曲線桁架在1.0D+1.0L組合下，跨中最大撓度為57mm（撓度與跨度比為1/930），小于鋼結構撓度限值L/400，滿足規范要求。在Y向風和Y向地震作用下，桁架水平最大位移小于10mm，均滿足規范設計要求。

5樓蓋舒適度分析

本工程曲線桁架跨度大，樓面梁截面高度較小，為保證樓蓋結構具有適宜的舒適度，進行豎向振動計算分析。根據《高層建筑混凝土結構技術規程》第3.7.7條：樓蓋結構的豎向振動頻率不宜小于3Hz，豎向振動加速度峰值不應超過表2的限值。樓蓋結構第1豎向振動頻率為2.63Hz<3Hz，應進行豎向振動加速度分析，加速度限值按規范插值為0.20m/s2。根據文獻［5，6］，在健身房內進行有節奏運動的人群對環境的振動要求較低，加速度限值可取為0.05g。阻尼比取0.02，采用SAP2000有限元分析軟件進行分析，所用時程函數參考蔡靜敏等人［7］和Bachmann［8］測出的單人跑步模式的頻率與荷載時程，如圖10所示。連廊單層建筑面積約為400m2，根據建筑使用要求，容納人數為100～200人，最大人群密度為1/2=0.5m-2，根據德國人行橋設計指南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時的行人數）。對連廊下層跨中節點進行單點激振分析，對連廊下層整層進行人群激振分析。由圖11可見，該層樓蓋在人群激振荷載作用下，姨n′跨中不利點豎向振動加速度最大值為0.09m/s2，小于0.20m/s2，滿足規范要求。

6節點設計

由于桁架桿件均為箱型截面，節點采用相貫焊，受力較大的次構件與主構件連接時在主構件內設置對應的加勁肋。桁架與端部型鋼混凝土柱連接時，弦桿腹板與柱內型鋼翼緣對接焊，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，翼緣在柱位截斷，該節點構造大樣如圖12所示。

7結論

由于該大跨度連廊的平面走向為曲線，與直線型桁架受力有很大的差別，整體偏心帶來的扭矩是設計的重點。利用樓面系統和立面桁架形成空間筒體以承受豎向荷載下的扭矩。分析結果顯示，本工程結構傳力路線明確、直接，理論計算的各項指標以及樓蓋舒適度均能滿足規范的要求。結構設計既能夠滿足受力安全的要求，又能滿足建筑功能及造型的要求。

參考文獻

［1］康谷貽.鋼筋混凝土剪、扭構件桁架模型理論的發展［J］.建筑結構學報，1988，9（6）：39-46.

［2］王銀輝，陳山林.考慮初曲率影響的變曲率箱梁空間有限元分析［J］.中國公路學報，2007，20（6）：73-78.

［4］高原，賀國京，周文偉.平面曲梁有限元分析［J］.西部探礦工程，2005（6）：188-190.

［5］婁宇，呂佐超，黃健.樓板振動舒適度控制的標準研究［J］.特種結構，2011，28（3）：1-4+8.

［6］黃健，呂佐超，婁宇.有節奏運動引起的樓板振動舒適度設計［J］.特種結構，2011，28（3）：5-8.

［7］蔡靜敏，陳學偉.人行天橋振動時程分析方法的研究［J］.鋼結構，2009，24（7）：16-20.

［9］王燕，馮雙，王玉田.鋼框架剛性連接加強型節點滯回性能試驗研究［J］.土木工程學報，2011，44（5）：57-68.

［10］孔丹丹，張宣，李少鋒,等.鋼網格盒式結構空腹桁架與柱相交節點抗震性能試驗研究［J］.建筑結構，2019，49（4）：91-97.

作者：薛曉娟 單位：華南理工大學建筑設計研究院有限公司