某工程高空懸挑連橋結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

葉 垚 高英赫 曹立之

（1 中國建筑設(shè)計研究院有限公司， 北京 100044；2 北京中海地產(chǎn)有限公司， 北京 100044）

1 工程概況

北京通州區(qū)某工程為集商業(yè)、辦公、公寓為一體的超高層城市綜合體，總建筑面積78.6 萬m2。其中相鄰兩個地塊各有一棟公寓塔樓，Ⅷ-12 地塊上公寓塔樓，結(jié)構(gòu)高度127m，地上31 層；Ⅷ-13 地塊上公寓塔樓，結(jié)構(gòu)高度156m，地上42 層。

在兩個公寓塔樓的12F-13F，設(shè)置交通性連橋，連橋跨度58m，樓面標(biāo)高52.800，連橋高度為3.5m+4.2m=7.7m，典型寬度8.4m。連橋四周維護(hù)結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻，局部存在裝飾性鋁板。

2 方案布置

由于連橋連接的兩座塔樓，結(jié)構(gòu)高差超過30m，自身動力特性和在水平荷載下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)都相差較大[1]。

經(jīng)過比較，采用塔樓懸挑鋼桁架的形式，搭建出高空連橋。將連橋一切為二，通過中間設(shè)置防震縫將連橋分為兩個懸挑桁架。從13#公寓塔樓（高塔）出挑的鋼桁架跨度較大，約31m；從12#公寓塔樓（低塔）出挑的鋼桁架跨度較小，約27m。連橋兩層通高，僅在12F 和14F 設(shè)有水平構(gòu)件，側(cè)壁采用鋼桁架形式，連橋橫斷面為箱型[2]。以下均為連橋1 的分析結(jié)果

連橋詳細(xì)構(gòu)件信息見表 1。

表 1 連橋鋼桁架尺寸

3 設(shè)計荷載取值和工況組合

本工程考慮的設(shè)計荷載有恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、豎向地震作用。

3.1 荷載標(biāo)準(zhǔn)值

1) 恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值：結(jié)構(gòu)自重+維護(hù)結(jié)構(gòu)自重。

2) 活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：按荷載規(guī)范取值。

3) 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：基本風(fēng)壓考慮100 年一遇，具體取值根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4) 豎向地震作用：8 度抗震區(qū)，長懸臂結(jié)構(gòu)，采用彈性時程法計算豎向地震作用，包括設(shè)防地震和罕遇地震。

3.2 荷載工況組合

按照荷載規(guī)范和抗震規(guī)范的要求，進(jìn)行了以上所有荷載工況的組合，包括無地震組合和有地震組合。其中，有地震組合考慮豎向地震的設(shè)防地震和罕遇地震的作用。

3.3 結(jié)構(gòu)計算分析

高空懸挑連橋有一個重要的特點(diǎn)，就是連橋的支座是塔樓，而不是可以近似看成固定支座的地面。

為了考察塔樓支座條件對懸挑連橋的影響，本工程使用SAP2000 建立了單體模型，使用ETABS 建立了整體模型。

3.4 風(fēng)荷載

連橋處于高空，側(cè)風(fēng)荷載需精確考量。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，連橋側(cè)面迎風(fēng)面最大體形系數(shù)是0.5，背風(fēng)面最小體形系數(shù)-0.6。為了更精確的計算風(fēng)振系數(shù)，進(jìn)行了ANSYS 風(fēng)振分析，得到連橋側(cè)面迎風(fēng)面的最大風(fēng)壓為1.68KN/m2，背風(fēng)面最大風(fēng)吸力為-1.34 KN/m2。

3.5 豎向地震

按照《抗震規(guī)范》5.3 條，懸挑桁架應(yīng)計入豎向地震作用。地面的豎向震動并不會直接施加于懸挑連橋上，而是需要通過塔樓傳遞。在整體ETABS 模型底部施加地震作用，通過豎向時程法，得到懸挑連橋各節(jié)點(diǎn)在整個時間歷程中的絕對最大加速度反應(yīng)，以此確定各節(jié)點(diǎn)的豎向地震系數(shù)，詳見圖 。地震波采用建研科技提供的三條Z 向地震波。

將懸挑連橋的質(zhì)量集中于各個節(jié)點(diǎn)，與得到的地震系數(shù)相乘，即為各節(jié)點(diǎn)豎向地震的作用力。在模型中施加節(jié)點(diǎn)荷載，以此計算豎向地震作用。

圖 1 整體模型中連橋各節(jié)點(diǎn)豎向地震系數(shù)

可以看出，豎向地震作用經(jīng)過塔樓的傳遞，與懸挑連橋的鞭梢效應(yīng)疊加后，最大峰值加速度已達(dá)到0.46g，遠(yuǎn)大于多遇地震的豎向峰值加速度為0.045g。從工況組合的結(jié)果看，主要桿件的控制工況組合，也是豎向地震占主導(dǎo)的工況組合。

3.6 防連續(xù)倒塌

由于連橋處于高空，局部破壞不僅會對連橋自身的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響，更會產(chǎn)生嚴(yán)重的次生災(zāi)害。本工程采用靜力拆桿法進(jìn)行防連續(xù)倒塌分析。荷載組合為：1.0 恒載+0.5 活載。一根根部弦桿失效，應(yīng)力比0.79；一根根部腹桿失效，應(yīng)力比0.56。可見對于懸挑桁架，一根根部弦桿與一根根部腹桿失效，均不會引起結(jié)構(gòu)連續(xù)倒塌。

3.7 連橋防震縫寬度與舒適度

1) 防震縫寬度

連橋之間的防震縫寬度，采用大震彈性反應(yīng)譜法、大震極限位移角法和抗震規(guī)范確定防震縫方法。其中，防震縫寬度按下式計算，

式中，0x 為防震縫寬度，1#x 為1#連橋端部沿軸向位移，2#x 為2#連橋端部沿軸向位移。

大震彈性反應(yīng)譜法為206mm，大震極限位移角法為650mm，《抗震規(guī)范》方法為250mm。取大震彈性反應(yīng)譜法和大震極限位移角法結(jié)果的平均值，即450mm較為合適，同時也滿足《抗震規(guī)范》的要求。

2) 舒適度計算

根據(jù)懸挑連橋自振特性的分析結(jié)果，豎向自振頻率f>3Hz，滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》關(guān)于樓蓋結(jié)構(gòu)豎向震動頻率的要求。

4 節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)的安全可靠是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點(diǎn)。本工程懸挑連橋的桁架節(jié)點(diǎn)采用空間相貫節(jié)點(diǎn)，連橋桿件與支座（塔樓豎向構(gòu)件）連接采用設(shè)置加勁板的等強(qiáng)節(jié)點(diǎn)。

相貫節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度采用《鋼管結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的方法進(jìn)行驗(yàn)算。根據(jù)空間桿件的交匯形式，分為平面T、Y 和X 形，有間隙或無間隙的K 形和N 形。破壞形式分為主管表面塑性破壞，主管側(cè)壁破壞等。通過計算，得到節(jié)點(diǎn)的最低承載力仍然大于桿件的最大設(shè)計內(nèi)力值1.6 倍以上，證明節(jié)點(diǎn)是安全可靠的。

5 結(jié)論

1. 由于兩個塔樓質(zhì)量和剛度差別較大，采用雙懸挑桁架對接的方式，搭建空中連橋，避免了塔樓和連橋之間的復(fù)雜影響。

2. 8 度抗震設(shè)計時，懸挑連橋的計算應(yīng)考慮豎向地震作用的影響。取時程分析的各節(jié)點(diǎn)最大絕對加速度，作為連橋的豎向地震作用系數(shù)。作用系數(shù)在懸挑端最大，支座處最小，但均大于輸入的地震波豎向加速度峰值。