鋼結(jié)構(gòu)連接體結(jié)構(gòu)方案的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

胡凌華 龔 銘 張建輝

(浙江綠城東方建筑設(shè)計(jì)有限公司，杭州310012)

1 工程概況

1.1 工程背景

某工程位于杭州市江干區(qū)，是一個(gè)集商業(yè)、公寓、辦公、酒店為一體的大型城市綜合體。該項(xiàng)目地上由三座塔樓T1、T2、T3組成，塔樓高度分別為140 m、120 m、92 m;其中T1和T3塔樓之間在3～5層由一座跨度為37 m、寬度19 m的空中連廊連接(圖1);由于兩棟塔樓的振動(dòng)特性相差較遠(yuǎn)，連接體如果采用剛性連接，地震作用下兩座塔樓的相互牽扯作用較明顯，會(huì)對(duì)塔樓和連接體本身的抗震能力帶來(lái)十分不利的影響，因此連體處理為一端固定鉸、一端滑動(dòng)鉸的弱連接方式，留足夠的滑移量，有利于塔樓的抗震性能。

圖1 空中連接體及主樓正立面Fig.1 Connecting corridor and the main building facade

從本工程的方案階段到施工圖階段，根據(jù)結(jié)構(gòu)特性和建筑要求，對(duì)該連廊做了多個(gè)結(jié)構(gòu)方案;本文介紹了這些方案的設(shè)計(jì)思路，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施，既要做到盡可能滿足建筑要求，又能保證結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一;同時(shí)計(jì)算了各方案的鋼材用量，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性方面對(duì)各方案進(jìn)行了對(duì)比，為以后類似的結(jié)構(gòu)選型提供了參考。

1.2 建筑需求及對(duì)結(jié)構(gòu)的要求

本工程的定位為區(qū)域性的商業(yè)地標(biāo)，建筑方案是由美國(guó)KPF建筑設(shè)計(jì)事務(wù)所完成。建筑師對(duì)建筑物的立面和平面有著很高的要求。本連接體的功能區(qū)塊屬于裙房商業(yè)及酒店的一部分，連接著商業(yè)零售區(qū)片。建筑師要求把本區(qū)塊作為服務(wù)商業(yè)的高檔餐飲區(qū)的一部分，利用沿街的良好視角建立多個(gè)餐飲包廂及觀景餐廳(圖2、圖3)，但餐飲的面積會(huì)根據(jù)實(shí)際的使用情況有一個(gè)較為彈性的調(diào)整，即希望連接體區(qū)域既能作為餐飲小包廂，又能在一定條件下成為開放空間的餐飲或咖啡廳的一部分。

圖2 空中連接體首層平面圖Fig.2 The 1stfloor plan of connecting corridor

圖3 空中連接體二層平面圖Fig.3 The 2stfloor plan of connecting corridor

在立面上，塔樓位于連接體底部存在一條貫通的水平線條和一個(gè)環(huán)繞主樓的凹槽，為保證視覺上的連續(xù)(圖4)，連體底層的結(jié)構(gòu)高度不能大于主樓的結(jié)構(gòu)高度，主樓為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，柱網(wǎng)間距為8.4 m，梁高0.8 m，也就是大跨連體底層的結(jié)構(gòu)高度不能大于0.8 m。另外由于塔樓連接連廊的柱基本貼近幕墻邊，在幕墻和柱子之間沒有足夠空間放置支承連接體的牛腿，建筑立面上更加不允許出現(xiàn)牛腿，因此牛腿無(wú)法按照常規(guī)的做法，只能設(shè)置在主樓柱子的內(nèi)側(cè)。

圖4 空中連接體立面圖Fig.4 Facade of connecting corridor

綜上所述，連接體平面的合理分隔、連接體底層的結(jié)構(gòu)高度、牛腿的設(shè)置方式成為約束結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三個(gè)最主要的因素。

2 鋼結(jié)構(gòu)方案的選擇及經(jīng)濟(jì)性比較

建筑布置圖中，連接體區(qū)域全部由餐飲包廂和一個(gè)備餐廚房組成，有較多的橫向及縱向內(nèi)隔墻，這樣的建筑平面布局為結(jié)構(gòu)提供了較多的可能性:結(jié)構(gòu)構(gòu)件既可以按照隔墻的位置布置，也可以把結(jié)構(gòu)做在外圍，內(nèi)部形成大空間以方便空間在使用過(guò)程中的調(diào)整。結(jié)合建筑需求，提供了三組結(jié)構(gòu)方案，即四榀空腹桁架方案、三榀斜腹桿桁架方案、兩榀斜腹桿桁架方案。

2.1 方案選擇

2.1.1 四榀空腹桁架方案

根據(jù)建筑幕墻的分隔，每隔2.25 m設(shè)置一道豎桿，形成外圍兩榀空腹桁架;建筑內(nèi)部在中間走道的兩側(cè)的隔墻位置設(shè)置同樣的兩榀空腹桁架;四榀桁架之間通過(guò)8 m、3.4 m、8 m跨度的橫向梁和樓面交叉桿聯(lián)系形成整體(圖5);桁架弦桿截面為800 mm×400 mm的箱形梁，壁厚在18～50 mm之間;桁架豎桿截面為400 mm×300 mm～400 mm×400 mm的鋼管，壁厚在25 mm～60 mm之間。

由于室內(nèi)2.25 m的豎桿間距過(guò)小，影響建筑開門，為方便室內(nèi)使用，把內(nèi)部空腹桁架的豎桿間距由2.25 m改為4.5 m，外圍兩榀空腹桁架的豎桿間距做同樣調(diào)整，四榀桁架同樣通過(guò)樓面及屋面的梁及交叉桿連接(圖6);桁架弦桿截面為800 mm×400 mm的箱形梁，壁厚在25～50 mm之間;桁架豎桿截面為400 mm×400 mm～400 mm×600 mm的鋼管，壁厚在25～60 mm之間。

四榀之間的鋼梁截面采用400 mm高的工字鋼，按照壓彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.2 三榀斜腹桿桁架方案

圖5 方案1 Fig.5 Plan 1

圖6 方案2Fig.6 Plan 2

根據(jù)建筑室內(nèi)平面的隔墻的分隔，在中間走道的一側(cè)設(shè)置一道斜腹桿桁架;外圍設(shè)置同樣兩榀斜腹桿桁架;三榀桁架之間通過(guò)8 m、11.4 m跨度的橫向梁和樓面交叉桿聯(lián)系形成整體;桁架弦桿截面為700 mm×500 mm的箱形梁，壁厚在10～25 mm之間;桁架腹桿截面為300 mm×500 mm～500 mm×500 mm的鋼管，壁厚在14～30 mm之間。

根據(jù)室內(nèi)分隔，中間榀可以選用兩種不同的斜腹桿排布方式:三個(gè)人字形(圖7)和兩個(gè)人字形(圖8)的方式，外圍兩榀桁架的腹桿也做相應(yīng)調(diào)整。

三榀桁架之間的鋼梁截面采用400 mm高的工字鋼，按照壓彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.3 兩榀斜腹桿桁架方案

為了給室內(nèi)留出一個(gè)充分靈活的使用環(huán)境，擬取消中間榀桁架，僅保留兩個(gè)邊榀;同時(shí)為減小兩榀桁架之間的的距離，把桁架內(nèi)移1.5 m，由外挑梁支承樓板，這樣兩榀桁架的間距由19.4 m減小為16.4 m;兩榀桁架之間通過(guò)16.4 m跨度的橫向大梁和樓面交叉桿聯(lián)系形成整體;桁架弦桿截面為800 mm×500 mm的箱形梁，壁厚在14～25 mm之間;桁架腹桿截面為300 mm×500 mm～500 mm×500 mm的鋼管，壁厚在18～30 mm之間。

圖7 方案3 Fig.7 Plan 3

圖8 方案4 Fig.8 Plan 4

根據(jù)室內(nèi)分隔，中間榀可以選用兩種不同的斜腹桿排布方式:三個(gè)人字形(圖9)和兩個(gè)人字形(圖10)的方式;外圍兩榀桁架的腹桿也做相應(yīng)調(diào)整。

兩榀桁架之間的鋼梁截面采用800 mm高的工字鋼，按照壓彎構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖9 方案5a Fig.9 Plan 5a

圖10 方案6a Fig.10 Plan 6a

考慮到19.4 m的橫向?qū)挾葍H靠?jī)砷瘍啥算q接的桁架支承，雖然豎向剛度和承載力較大，但結(jié)構(gòu)抗擊水平作用的能力較弱，僅靠桁架和樓面形成的四邊形的抗扭能力顯然比較弱(圖11)。因此，對(duì)本方案做了如下調(diào)整:取消桁架端部豎桿，把桁架上中下弦桿均直接擱置在主結(jié)構(gòu)上，下弦端部主要承受豎向力，上中桁架端部設(shè)置約束桁架豎向及出平面的支座(圖12、圖13)，這樣相當(dāng)于在每個(gè)樓層的四個(gè)角點(diǎn)均設(shè)置了面外約束，大大加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的面外剛度。

圖11 連接體橫斷面?zhèn)认蜃冃螆D及側(cè)向約束Fig.11 Deformation plot and lateral constraint

圖12 方案5 Fig.12 Plan 5

圖13 方案6 Fig.13 Plan 6

2.2 各方案的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)

針對(duì)結(jié)構(gòu)的3種布置方式，一共做了6個(gè)方案，表1列出了這6種結(jié)構(gòu)形式的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)。

表1 結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)Table 1 Performance indicators of structure

下面從各方案的振型(圖14—圖17)結(jié)果來(lái)分析結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)。

圖14 方案1前三周期Fig.14 The first three periods of plan 1

圖15 方案3前三周期Fig.15 The first three periods of plan 3

圖16 方案5前三周期Fig.16 The first three periods of plan 5

圖17 方案5a前三周期Fig.17 The first three periods of plan 5a

2.2.1 水平振型分析

三類方案的第一振型都是水平面內(nèi)的彎曲型(圖18)，而且第一振型的周期比第二、三振型的周期要高出很多，這說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體的最薄弱的剛度方向是橫向的彎曲變形方向;同時(shí)說(shuō)明平面內(nèi)雖然存在樓板(屋面板)，但是板的面內(nèi)剛度與豎向的桁架相比要弱很多，因此這類連接體在樓面(屋面)面內(nèi)設(shè)置水平支撐是十分必要的，這對(duì)于加強(qiáng)連接體整體性的貢獻(xiàn)很大。

三種方案的第三振型都是橫斷面的水平錯(cuò)動(dòng)型(圖19)，且錯(cuò)動(dòng)型振型的周期和豎向桁架的榀數(shù)關(guān)系不大(四榀桁架的周期為0.63，三榀桁架的周期為0.67，兩榀桁架的周期為0.55)，即說(shuō)明并非桁架榀數(shù)越多，箱體水平錯(cuò)動(dòng)的剛度就越大，這是由于隨著豎向桁架榀數(shù)的增加，桁架截面會(huì)減小，本身的面外剛度會(huì)相應(yīng)削弱，同時(shí)桁架之間的樓面梁截面也會(huì)減小，這些使得橫斷面(矩形框)的抗變形能力并沒有隨桁架榀數(shù)增加而變大;由此可見，為增加矩形框的抗變形能力，一味增加連接體本身的結(jié)構(gòu)形式和截面尺寸是不經(jīng)濟(jì)的，也不是最有效的，最有效的方式是在主樓樓層處設(shè)置對(duì)連接體的水平約束，這樣能最直接地避免連接體橫斷面的錯(cuò)動(dòng)變形從而大大增加整體剛度。

2.2.2 豎向振型分析

圖18 結(jié)構(gòu)整體的平面內(nèi)彎曲變形Fig.18 The plane bending deformation of structure

圖19 結(jié)構(gòu)整體的平面內(nèi)錯(cuò)動(dòng)變形Fig.19 The plane dislocation deformation of structure

空腹桁架方案豎向振型的周期值是斜腹桿桁架方案豎向振型周期值的1.5～2倍，與3 Hz的豎向舒適度的要求頻率相比，兩種空腹桁架方案均不滿足。這說(shuō)明空腹桁架雖然桿件數(shù)量比斜腹桿方案多，但豎向剛度要弱得多，即使撓度和構(gòu)件強(qiáng)度能滿足要求，舒適度也難以滿足要求。

從撓度和周期指標(biāo)上看，桁架的分隔方式(空腹桁架豎桿的間距，斜腹桿桁架的人字形斜撐的數(shù)目)對(duì)計(jì)算指標(biāo)的影響并不大。

3 各方案的用鋼量指標(biāo)

本工程鋼材采用Q345B，經(jīng)過(guò)計(jì)算和優(yōu)化后，得到各個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)用鋼量，需要注意的是:經(jīng)濟(jì)用鋼量的計(jì)算過(guò)程中未考慮構(gòu)件下料、構(gòu)件加工及節(jié)點(diǎn)處理等實(shí)際因素，因此經(jīng)濟(jì)用鋼量?jī)H為理論最小用鋼量，實(shí)際鋼材用量會(huì)大于該值。

表2 構(gòu)件經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)Table 2 Economic indicators of steel t

圖20 各個(gè)方案的用鋼量圖表Fig.20 Chart of amount of steel in various options

從用鋼量圖表(表2及圖20)中可以看出:

(1)空腹桁架的用鋼量為斜腹桿桁架用鋼量的2倍左右，說(shuō)明空腹桁架結(jié)構(gòu)相對(duì)斜腹桿桁架結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)是十分不經(jīng)濟(jì)的;這是由于空腹桁架構(gòu)件應(yīng)力設(shè)計(jì)均由構(gòu)件的兩端彎矩控制，由于建筑條件的限制，桁架豎桿不可能在彎矩作用方向做得很寬，這使得豎桿的截面抗彎性能得不到充分發(fā)揮，導(dǎo)致構(gòu)件截面板厚過(guò)大;同時(shí)構(gòu)件中間為反彎點(diǎn)，中間段截面承受的內(nèi)力遠(yuǎn)未達(dá)到其承載力，這種應(yīng)力的不均勻?qū)е铝苏鶚?gòu)件各部分承載能力發(fā)揮得很不均勻，從而造成鋼材用量的不經(jīng)濟(jì)。

(2)斜腹桿桁架的構(gòu)件受力以軸向受力為主，整根構(gòu)件各點(diǎn)的承載能力均得到了充分發(fā)揮，是十分經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式。

(3)空腹桁架的腹桿間距對(duì)用鋼量影響相對(duì)明顯，總的趨勢(shì)是隨著腹桿間距減小用鋼量也會(huì)越經(jīng)濟(jì);但工程中往往受限于室內(nèi)空間的使用，腹桿間距很難達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理要求，因此空腹桁架一般不適合用于中間榀的室內(nèi)桁架;如果僅把空腹桁架置于連接體兩側(cè)，腹桿間距的適當(dāng)加密不會(huì)影響室內(nèi)空間，這樣的空腹桁架可以在不影響建筑使用的前提下得到相對(duì)合理的結(jié)構(gòu)性能和鋼材用量。

(4)斜腹桿桁架的腹桿間距對(duì)用鋼量影響不明顯，從表中可以看出，方案3和方案4的桁架用鋼量以及方案5和方案6的桁架用鋼量相差不大，因此只要斜腹桿的傾斜角度距45°的偏差不是很大，結(jié)構(gòu)可以給出多個(gè)分隔方案提供給建筑師作為選擇。

(5)當(dāng)連接體由四榀或三榀桁架組成的條件下，樓面水平梁的用鋼量均小于豎向桁架的用鋼量;當(dāng)連接體由兩榀桁架組成時(shí)，水平梁構(gòu)件的用鋼量會(huì)多于豎向桁架的鋼材用量。由此可見，較寬的連接體如果僅由兩榀桁架支承，樓面用鋼量占比的增加會(huì)導(dǎo)致總的鋼材用量的偏于不經(jīng)濟(jì)。

(6)從連接體總的用鋼量上看，三榀斜腹桿桁架的結(jié)構(gòu)方案最為經(jīng)濟(jì)，四榀桁架的方案從室內(nèi)空間的使用和經(jīng)濟(jì)性上講都不合理，兩榀桁架的方案對(duì)室內(nèi)空間影響最小，但經(jīng)濟(jì)性略差。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)6個(gè)連接體結(jié)構(gòu)方案的分析和統(tǒng)計(jì)，從結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，可以得到下列結(jié)論，為類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考:

(1)連接體雖然存在樓板或屋面板，但平面內(nèi)的水平交叉支撐對(duì)提高整體水平面內(nèi)的彎曲剛度是十分必要的;連接體作為一個(gè)整體，有條件的話，建議在每個(gè)樓層均設(shè)置橫橋向的水平約束，這可以有效避免連接體橫斷面的錯(cuò)動(dòng)趨勢(shì)。

(2)空腹桁架是一種不經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，除確保其強(qiáng)度和剛度外，對(duì)空腹桁架體系下的樓面舒適度是否滿足要求需要格外關(guān)注;斜腹桿桁架的立面布置形式對(duì)其結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)性影響不大。

(3)當(dāng)連接體的跨度和寬度相差不大時(shí)，三榀桁架的形式是最經(jīng)濟(jì)有效的，如果為了室內(nèi)空間使用更為靈活而采用兩榀桁架，那樓面的用鋼量將占總用量的比例就會(huì)大為增加。

由于建筑師要求室內(nèi)空間有一個(gè)較為彈性的分隔方式，本工程最終采用了方案5，即兩榀斜腹桿桁架的方案，雖然從用鋼量上考慮不是最經(jīng)濟(jì)的，但室內(nèi)大空間帶來(lái)的便利性使該方案得到了建筑師和委托方的一致認(rèn)可。

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