瀘州西南商貿(mào)城重型鋼結(jié)構(gòu)連廊群分析與設(shè)計(jì)

仝書敬 江 濤 王 柳 馮曉東

(1.浙江精工鋼結(jié)構(gòu)集團(tuán)有限公司，浙江 紹興 312030；2.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

通信作者：馮曉東(1987— )，男，浙江紹興人，紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院講師，博士，研究方向：大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)及智能結(jié)構(gòu)研發(fā).

1 工程概況

中國(瀘州)西南商貿(mào)城位于四川省瀘州市龍馬潭區(qū)，是千年商都瀘州批發(fā)市場(chǎng)的現(xiàn)代化延伸工程，整個(gè)項(xiàng)目規(guī)劃為大型市場(chǎng)區(qū)、精品市場(chǎng)區(qū)和附屬配套區(qū)三大功能區(qū)，是匯集服裝、鞋包、小商品、家居建材、副食干貨、五金機(jī)電等商品研發(fā)、生產(chǎn)、加工、展示、交易和電子商務(wù)為一體的一站式綜合商貿(mào)批發(fā)平臺(tái)，也是輻射川、渝、黔、滇交界區(qū)域8市75個(gè)區(qū)縣6 000萬人口的省際商貿(mào)中心.

該項(xiàng)目二期工程總建筑面積約48萬m2，分為B、C、D、F、H、J等6個(gè)地塊，包含專業(yè)市場(chǎng)、倉儲(chǔ)、商業(yè)配套等功能區(qū)，由18棟多層商業(yè)樓和數(shù)百個(gè)鋼連廊組成.本文所討論的重型鋼連廊位于B、C區(qū).B、C區(qū)各由5排單體通過多個(gè)鋼連廊連接為一個(gè)整體，各單體的主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，地下1層，地上4層，地面以上高度約20.4 m.鋼連廊共120個(gè)，主要連接于主結(jié)構(gòu)的3層(標(biāo)高+10.850 m)和4層(標(biāo)高+15.65 m)，建筑面積約1.5萬m2.圖1、圖2分別為B、C區(qū)鋼連廊的平面布置圖.

2 鋼連廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)建筑要求，鋼連廊均為單層結(jié)構(gòu)，共包含56個(gè)輕型連廊和64個(gè)重型連廊.其中：輕型連廊僅供人員通行，平面均為規(guī)則的矩形，尺寸約為8.3 m×2.7 m(跨度×寬度)；重型連廊可供人員和車輛通行，根據(jù)外形分為8個(gè)異形連廊和56個(gè)矩形連廊.異形連廊的最大外輪廓尺寸為17.5 m×16.2 m，矩形連廊的最大尺寸為17.5 m×11.75 m.

圖1 B區(qū)鋼連廊平面布置圖

圖2 C區(qū)鋼連廊平面布置圖

本工程連廊自身剛度相對(duì)主體較小，較難起到協(xié)調(diào)兩個(gè)主體結(jié)構(gòu)變形的作用，因此連廊與主體結(jié)構(gòu)之間采用弱連接方式[1]，即一端鉸接一端滑動(dòng)，該連接方式可大幅度降低主體和連廊之間的影響，計(jì)算中可將連廊部分單獨(dú)建模分析.計(jì)算主體時(shí)，可僅將連廊在各工況下的支點(diǎn)反力作為施加于其上的外力[2].考慮到本項(xiàng)目中連廊數(shù)量居多，設(shè)計(jì)時(shí)將其120個(gè)連廊進(jìn)行分批設(shè)計(jì)計(jì)算，主要分為重型異形連廊、重型矩形連廊、輕型矩形連廊三大類.以下重點(diǎn)介紹跨度最大的重型矩形和重型異形鋼連廊的設(shè)計(jì)方案.

2.1 設(shè)計(jì)荷載取值

設(shè)計(jì)荷載是結(jié)構(gòu)分析的重要依據(jù)，取值是否合理準(zhǔn)確將直接影響結(jié)構(gòu)的安全性和經(jīng)濟(jì)性.本工程重型連廊需滿足行人、行車要求，活荷載取10 kN/m2；輕型連廊僅需滿足行人通行要求，活荷載取3.5 kN/m2.

本工程所在地區(qū)50年一遇的基本風(fēng)壓為0.30 kN/m2，地面粗糙度類別為B類.結(jié)構(gòu)溫度荷載考慮±25℃.地震設(shè)防烈度為6度(0.05 g)，水平地震對(duì)結(jié)構(gòu)不起控制作用，且按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50011—2010》第5.1.1條規(guī)定，僅當(dāng)設(shè)防烈度8度及以上時(shí)需考慮豎向地震作用[3]，因此本工程連廊設(shè)計(jì)時(shí)，僅考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)造上滿足抗震要求.

2.2 矩形連廊結(jié)構(gòu)選型對(duì)比分析

矩形連廊最大跨度17.5 m，寬度11.75 m.結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)時(shí)提出了3個(gè)方案，見圖3、圖4和圖5，具體如下：

圖3 矩形連廊結(jié)構(gòu)方案1

圖4 矩形連廊結(jié)構(gòu)方案2

圖5 矩形連廊結(jié)構(gòu)方案3

方案1的鋼梁豎向布置，與混凝土梁鉸接.方案2的鋼梁橫向布置，鋼梁與鋼梁鉸接，與混凝土柱鉸接.方案3兩端設(shè)鋼橫梁，其余鋼次梁豎向布置，鋼梁與鋼梁鉸接，與混凝土柱鉸接.

分別計(jì)算3個(gè)方案的用鋼量、撓度、支點(diǎn)反力等指標(biāo)并進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比原則如下：

(1)板厚、荷載相同；

(2)主梁最大應(yīng)力比控制在0.8左右，次梁應(yīng)力比控制在0.9左右.

計(jì)算結(jié)果見表1.由表1可知：

表1 矩形連廊不同結(jié)構(gòu)方案對(duì)比表

方案鋼梁截面用鋼量/(kg·m-2)撓度值/mm反力/kN1H950X300X18X30113.760.09312H1200X400X25X35H650X300X12X20168.956.41 2233H950X400X18X30H950X300X18X25130.562.581 264

注：鋼梁材質(zhì)均為Q345B.

方案1為用鋼量最省、傳力最直接的方案，但鋼梁需搭接在鋼筋混凝土柱和鋼筋混凝土梁上，且鋼梁反力較大，鋼筋混凝土梁截面B300X800無法滿足受力要求.

方案2可避免鋼梁與混凝土梁搭接，但用鋼量在3個(gè)方案中最大且鋼梁高度最大為1.2 m.本層層高為5.6 m，建筑要求凈高為4.4 m.扣除鋼梁高度，還需考慮樓板厚度及地面面層厚度，因此該方案無法滿足凈高要求.

方案3兩端設(shè)鋼橫梁，其余鋼次梁豎向布置.經(jīng)計(jì)算鋼梁最大高度為950 mm，考慮150 mm樓板厚度，可以滿足建筑凈空要求.該方案用鋼量較方案2有所減少，同時(shí)避免了與鋼筋混凝土梁搭接，既滿足了建筑凈空要求，且將對(duì)土建結(jié)構(gòu)的影響降至最低.

綜上所述，選擇方案3為最終結(jié)構(gòu)方案.

2.3 異形連廊選型對(duì)比分析

本項(xiàng)目部分連廊為弧形建筑邊線，根據(jù)造型需要以及主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件只允許與鋼筋混凝土柱連接，考慮如圖6、圖7和圖8三種方案.方案1與方案2相比，主梁布置相同，僅改變左半部分次梁布置方向；方案3對(duì)方案2的主梁布置進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整.結(jié)構(gòu)整體計(jì)算均采用中國建筑科學(xué)研究院編制的PKPM軟件(V3.1版本)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要考慮構(gòu)件的應(yīng)力和撓度，三種方案對(duì)比原則如下：

(1)板厚、荷載相同；

(2)主梁最大應(yīng)力比控制在0.8左右，次梁應(yīng)力比控制在0.9左右.

分別計(jì)算3個(gè)方案的用鋼量、撓度、支點(diǎn)反力等指標(biāo)并進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果見表2.由表2可知：

圖6 異形連廊結(jié)構(gòu)方案1

圖7 異形連廊結(jié)構(gòu)方案2

圖8 異形連廊結(jié)構(gòu)方案3

方案1中的桿件數(shù)量較少，左半部分次梁豎向布置，端部采用轉(zhuǎn)換橫梁.由于次梁跨度較大，為17.8 m，且受樓板跨度限制需采用兩道次梁，因此該方案總用鋼量偏大.

方案2左半部分次梁橫向布置，雖豎向撓度稍有增加，但總用鋼量和支座反力均較小，整體性能優(yōu)于方案1.

與方案2相比，方案3主要改變最右側(cè)主梁的布置位置，在用鋼量基本不變的情況下，支座反力減少了17.34%.

綜上所述，選擇方案3為最終結(jié)構(gòu)方案.

表2 異形連廊不同結(jié)構(gòu)方案對(duì)比表

方案鋼梁截面用鋼量/(kg·m-2)撓度值/mm反力/kN1H950X300X18X25B950X450X35X35HN396X199X7X11HN300X150X6X9231.557.119162H950X400X16X20B950X450X35X35H500X200X10X12HN396X199X7X11HN300X150X6X9167.973.018513B950X450X50X50H950X450X18X30H950X400X18X25H750X250X16X20H450X200X8X12HN300X150X6X9173.561.41530

注：鋼梁材質(zhì)均為Q345B.

3 連廊群整體溫度作用分析

當(dāng)桿件兩端受到約束時(shí)，桿件會(huì)隨著環(huán)境溫度的升降產(chǎn)生伸縮從而在桿件內(nèi)部產(chǎn)生壓(拉)應(yīng)力.這種應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)本身和與其連接的結(jié)構(gòu)均會(huì)產(chǎn)生不利影響，因此應(yīng)盡量采取一定的措施降低溫度作用的影響.

本工程采用Midas Gen對(duì)連廊群溫度效應(yīng)進(jìn)行分析.模型基本寬度取為鋼連廊寬度17.5 m；模型基本長(zhǎng)度取4個(gè)連廊和5排混凝土結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)度為130 m；其中，混凝土柱底采用剛接，溫度作用均考慮升溫25℃，如圖9所示.

為研究不同層數(shù)和不同邊界條件下，鋼連廊與主體結(jié)構(gòu)的整體模型對(duì)溫度作用的響應(yīng)規(guī)律，分別選取鋼連廊兩端均為鉸接的單層、2層、3層、4層模型，以及單層模型中兩端鉸接和一端鉸接一端滑動(dòng)兩種邊界進(jìn)行分析.

圖9 鋼連廊與混凝土結(jié)構(gòu)溫度作用基本模型

圖10和11分別給出了升溫25℃、兩端鉸接時(shí)不同層數(shù)下整體結(jié)構(gòu)的Y向位移云圖和軸力圖.圖12給出了升溫25℃、單層連廊采用一端鉸接一端滑動(dòng)支座形式時(shí)，整體結(jié)構(gòu)的Y向位移云圖.其中，Y向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)長(zhǎng)度方向.

(1)由圖10可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)升溫25℃時(shí)，最大軸向位移均出現(xiàn)在端部，且隨層數(shù)增高而增大，最大值為18.1 mm.

(2)由圖11可知，鋼連廊中的桿件軸力最大值均出現(xiàn)在底層，且單層時(shí)鋼連廊內(nèi)力最大，最大值為1 079 kN，2層、3層、4層時(shí)底層鋼連廊內(nèi)力較單層稍有減小，約為970 kN.

(3)隨著層數(shù)的增多，2層以上鋼連廊內(nèi)力呈逐漸減小的趨勢(shì).因此，如果連廊數(shù)目較多，可偏安全地按單層鋼連廊進(jìn)行溫度作用分析.

(4)由圖12可知，鋼連廊與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用一端鉸接一端滑動(dòng)連接，當(dāng)升溫25℃時(shí)，鋼梁最大軸向位移為2.45 mm(沿滑動(dòng)方向)，此時(shí)鋼梁軸力為0.與兩端鉸接模型對(duì)比，支座處的軸向力減小了1 079 kN.

圖10 升溫25℃，兩端鉸接時(shí)整體結(jié)構(gòu)位移云圖

圖11 升溫25℃，兩端鉸接時(shí)桿件軸力圖

考慮到結(jié)構(gòu)的重要性，本工程對(duì)于重型連廊偏安全考慮采用一端鉸接一端滑動(dòng)的支座結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)與計(jì)算，支座節(jié)點(diǎn)形式如圖13所示.對(duì)于跨度較小的輕型連廊，鋼梁與混凝土梁的連接采用長(zhǎng)圓孔設(shè)計(jì)[4]、承壓型高強(qiáng)螺栓連接，既能滿足受力要求，又使溫度作用得到釋放，如圖14所示.滑移量的大小需綜合考慮溫度作用、主體結(jié)構(gòu)大震彈塑性變形等因素確定[5].

圖12 升溫25℃，一端鉸接一端滑動(dòng)形式時(shí)，整體結(jié)構(gòu)的Y向位移云圖

圖13 重型連廊滑動(dòng)支座節(jié)點(diǎn)

圖14 輕型連廊鋼梁與混凝土梁連接節(jié)點(diǎn)

4 重型連廊舒適度分析

現(xiàn)階段人們對(duì)于建筑的性能化要求越來越高，樓板舒適度即為其中之一.關(guān)于樓蓋結(jié)構(gòu)的舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有結(jié)構(gòu)的最小自振頻率和結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度.

4.1 鋼連廊的最小自振頻率

《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范：CJJ69—95》規(guī)定：“為避免共振，減少行人不安全感，天橋上部結(jié)構(gòu)豎向自振頻率不應(yīng)小于3 Hz”[6].同時(shí)，《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ3—2010》也規(guī)定：“樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)頻率不宜小于3 Hz”[7].對(duì)本工程重型異形鋼連廊進(jìn)行特征值分析，得到其豎向第一自振頻率為3.97 Hz>3 Hz，滿足規(guī)范要求.

4.2 樓蓋振動(dòng)加速度

在《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ3—2010》中，規(guī)定了一般民用建筑設(shè)計(jì)時(shí)采用的樓蓋振動(dòng)加速度限值[7]，如表3所示.

表3 樓蓋豎向振動(dòng)峰值加速度限值 m·s-2

人員活動(dòng)范圍豎向自振頻率不大于2Hz豎向自振頻率不小于4Hz住宅、辦公0.070.05商場(chǎng)及室內(nèi)連廊0.220.15

注：樓蓋結(jié)構(gòu)豎向自振頻率為2 Hz～4 Hz時(shí)，峰值加速度限值可按線性插值選取.

由于沒有專門針對(duì)連廊的設(shè)計(jì)規(guī)范，因此本工程設(shè)計(jì)參考《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ3—2010》要求，對(duì)異形連廊采用Slabfit進(jìn)行時(shí)程分析，將行人荷載模擬為固定的突變荷載，單人體重取75 kg，分析得到的最大加速度峰值為0.110<0.151，滿足該規(guī)范要求.

5 結(jié)語

本文以瀘州商貿(mào)城鋼連廊為背景，主要從重型鋼連廊結(jié)構(gòu)選型、連廊溫度作用及樓板舒適度等方面對(duì)鋼連廊進(jìn)行了分析和研究，主要得出以下結(jié)論：

(1)鋼連廊結(jié)構(gòu)的選型不但要滿足建筑造型、凈空、使用功能等要求，而且還要考慮連廊自身的結(jié)構(gòu)布置是否合理、傳力是否直接，并盡可能減小連廊對(duì)兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)的影響，同時(shí)還需滿足經(jīng)濟(jì)性要求.

(2)由溫度作用分析可知，約束越強(qiáng)處鋼構(gòu)件內(nèi)力越大.當(dāng)連廊數(shù)目較多時(shí)，可偏安全地按單層鋼連廊進(jìn)行溫度作用分析.

(3)當(dāng)連廊跨度較大時(shí)，豎向自振頻率較難滿足“不宜小于3 Hz”的要求，宜對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加速度分析，以滿足規(guī)范所規(guī)定的舒適度要求.