大跨度鋼桁架支座抗連續(xù)倒塌設計研究

陳德平

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361004)

0 引言

鋼結構以其輕質(zhì)高強、造型豐富靈活等多方面優(yōu)勢廣泛應用于現(xiàn)代建筑，對于大跨度和長懸臂結構，鋼結構更有其獨特的優(yōu)勢，能以較小的結構代價，實現(xiàn)建筑對高大空間的要求。

跨度較大的建筑中常采用鋼桁架，具體型式有平面桁架或三角型桁架等幾種，其上弦支承屋面板，下弦設置一定數(shù)量的支撐梁，保證其側向穩(wěn)定，同時也常作為室內(nèi)吊頂及檢修馬道的支承件。此類結構存在結構冗余度低、支座荷載大等特點，但支座一旦失效，破壞性大，相應的損失及影響較大。所以，有必要對桁架及支座進行抗連續(xù)倒塌設計。由于支座的抗連續(xù)倒塌情況較為復雜，需針對不同的項目情況單獨進行分析處理，設計人員較難靈活掌握?；诖耍疚慕Y合幾個項目實例，探討此類桁架的受力及支座設計思路，希冀能為工程設計同仁提供一些思路。

1 實例一：重型樓(屋)面大跨度鋼結構

1.1 問題提出

大跨度屋面鋼結構普遍采用鋼桁架型式，采用鋼柱或混凝土(型鋼混凝土)柱，此類項目大都表現(xiàn)為柱高較大，為減少柱的彎矩，桁架與主體柱常采用鉸接連接，按排架結構進行設計，支座節(jié)點常設于下弦端部，支座型式大都采用成品鉸支座。

該做法用于裝配式屋蓋體系，如輕型屋面或預制大型屋面板時是合理的，其屋面構造上能夠保證桁架上弦在支座位置不受約束，實現(xiàn)較理想的鉸接。

但對于采用的鋼桁架+現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓(屋)面的建筑，如會展中心，酒店宴會廳、演藝廳等，按此做法的支座就會遇上新的問題。

興許受教科書上桁架計算簡圖的思維定勢影響，許多設計人員認為，桁架的支座理所當然是在下弦端部設置一個不動鉸支座。這種思路在屋面材料能夠自由伸縮時是可行的，但如果該大跨度桁架的樓(屋)蓋與主體結構整澆時，計算和構造上就存在著如下兩點不足：

(1)此類項目中，由于大跨度桁架高度較大，桁架支座設置于下弦時，其支座位置常在樓層中部，支座的水平力無樓蓋傳遞，只能均傳遞給支承柱。其實，這種受力模式與整體計算分析中荷載位于樓層處不符，同時由于支承點在樓層中部設置變截面影響美觀。

(2)該大跨度空間常不是單獨的一個結構體系，而是位于建筑中部的一個空間，樓(屋)面板整體澆筑后，約束桁架上弦的平動形成了桁架上下弦均為鉸接的情況，對整個桁架來說，已形成事實剛接的支座，增大了柱端彎矩，與計算簡圖不符，且易造成樓(屋)面板開裂，如圖1所示。

圖1 桁架支座簡圖

1.2 解決辦法

鑒于桁架支座位于下弦將會帶來較大的問題，可以考慮將桁架支座設置于上弦位置，使支座位置與樓(屋)蓋接近。這樣，支座轉動時，樓板受力較小，且水平力由樓板直接傳遞，使桁架實際支座條件及結構質(zhì)心位置與計算相符。

如：廈門某五星級酒店宴會廳，高度18m，跨度31m，屋面上要求設置1m厚的種植土，屋面整體荷載較大，設計中采用鋼桁架+現(xiàn)澆鋼筋砼屋面，屋面與周邊的框架結構樓板整體連接；桁架高度3m，桁架兩端以鉸接方式支承于柱頂。項目效果圖如圖2所示。

圖2 效果圖1

1.3 桁架的抗連續(xù)倒塌設計

桁架上下翼緣考慮現(xiàn)場拼裝點設置于1/3跨度處，此處弦桿受力較小，抗連續(xù)倒塌設計時，僅考慮腹桿與弦桿焊縫失效的情況，參考《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》(JGJ3-2010)第4.12條規(guī)定，采用拆除構件法對桁架的抗倒塌性能進行計算分析，拆除原則為從受荷最大的腹桿開始，每次拆除一根，以該構型作為抗連續(xù)倒塌計算初始模型，進行逐次計算，控制主要受力桿件應力比小于1.0，不考慮風載、地震作用；不控制位移、位移比及結構動力參數(shù)等。

1.3.1荷載組合

荷載組合采用如下公式[1-2]：

S=A(SGK+∑ψqiSqik)

式中：SGK為永久荷載標準值；Sqik為豎向可變荷載 (包括樓面、屋面活荷載)標準值；Ψqi變荷載的準永久值系數(shù) 0.5；A為動力放大系數(shù)，當被拆除構件相連或位于 其正上方時，荷載動力放大系數(shù)取A>1.0，其他位置取A=1.0。

根據(jù)以上公式，該工程拆除后的結構荷載組合為1.0恒載+0.5活載，荷載分項系數(shù)均取1.0，活載組合系數(shù)取0.5，材料強度取標準值，考慮到展廳區(qū)為鋼結構，構件延性較好，材料強度有一定儲備，故動力系數(shù)取相對低值，取1.2，不考慮風荷載組合。

1.3.2計算數(shù)據(jù)分析

電算采用YJK進行構件內(nèi)力分析，控制殘余結構的構件應力比在強度允許值內(nèi)。拆除順序如圖3所示，具體計算結果如表1所示。

圖3 桁架腹桿拆除編號圖

被拆除構件被拆除構件應力比拆除后結構構件最大應力比結論A0.310.95滿足B0.320.92滿足C0.190.92滿足D0.190.90滿足E0.090.90滿足F0.080.89滿足G0.080.89滿足H0.060.88滿足

由計算結果可見，在各自拆除這幾根構件以后，柱構件均具有一定的承載力富余，說明整體結構抗倒塌性能良好。

1.4 支座節(jié)點構造

考慮到該桁架為靜定結構，支座不能采用拆除構件法進行驗算，根據(jù)抗連續(xù)倒塌的精神，采用以下兩種方法進行設計：

(1)增加上弦懸臂段的強度，有限元分析后應力比不大于0.6；

(2)在下弦處增設一個備用支座，在上弦支座失效或接近失效時候，備用支座能承擔所有的桁架荷載，增加結構安全度。

下支座在正常使用狀態(tài)下應不參與受力，以免桁架實際受力與計算不符，設計為滑動支座，同時增加相應的限位措施，下支座待桁架恒荷載加載完畢后再行鎖定。支座構造如圖4所示。

圖4 支座構造圖

上支座采用在柱頂埋設型鋼抗剪鍵的方式，抗剪鍵與柱內(nèi)型鋼焊接。支座底板中心開孔用于型鋼穿入，支座兩側設置調(diào)平螺栓，待安裝完畢后，在柱腳內(nèi)注漿，使抗剪鍵與支座整體作用于傳遞水平力。

下支座采用滑動支座，兩側設置擋板，防止大震滑移，下支座牛腿待恒載全部加載完成后再行鎖定，如圖5所示。

圖5 支座大樣圖

通過以上設計，使桁架具有兩道傳力途徑，支座滿足二道防線設置，安全性得以明顯提升。

2 案例二：桁架式天橋的抗連續(xù)倒塌設計

現(xiàn)代建筑中，兩棟塔樓之間常設置天橋進行連接。天橋跨度一般均較大，常采用鋼桁架結構，將兩層天橋合并為一榀桁架，與建筑物之間采用一端鉸接，一端滑動的支座型式。由于兩棟建筑在罕遇地震作用下位移量較大，天橋的滑動端變形縫寬度將達到難以接受程度，且天橋一旦出現(xiàn)支座失效或滑脫，將導致較大經(jīng)濟損失及社會影響。因此，有必要對天橋支座進行抗連續(xù)倒塌設計，并優(yōu)化變形縫寬度。

如：云南某博物館天橋，由兩棟5層的建筑組成，在三層處設置一道天橋連接，天橋跨度17m，主結構采用鋼桁架，桁架高度5m，一端鉸接于主展館，另一端設置滑動支座。項目效果圖如圖6所示。

其次，員工需要得到尊重，在工作中員工難免受到委屈，我們可以設立減壓室，在減壓室中設立投訴墻，用于員工們記錄發(fā)泄情緒，管理者可以根據(jù)員工所寫事情分析是員工的過錯還是顧客的過錯，如果是員工的過錯要及時糾正，若是顧客的問題，可適當給員工一定物質(zhì)獎勵以安慰員工情緒。員工們也可以在投訴墻上提上自己的建議，若是合理的建議企業(yè)可予以采納并適當獎勵。

圖6 項目效果圖2

該工程由于桁架高度大，主要桿件應力比均較小，結構余量大，可不采用拆除構件法進行桁架的抗連續(xù)倒塌驗算，本文僅對其支座的抗連續(xù)倒塌性能作論述。

經(jīng)驗算，兩棟塔樓的罕遇地震作用下，最大位移絕對值相加達350mm，若按此寬度設計變形縫，難以滿足建筑使用要求。根據(jù)抗震設計的“小震不壞，中震可修，大震不倒”的總原則[3]，對構件重要性進行甄別。在罕遇地震作用下，僅需考慮天橋不墜落，主要構件不被撞壞即可滿足設防要求。根據(jù)這個思想在構造上采用以下兩個措施：

(1)主桁架構件及支座適當外移，滑動端連接處在天橋上設置懸挑板，天橋與主體之間的抗震縫寬度取設防烈度下的計算位移量絕對值，并不小于100mm，保證平時工況下，天橋可正常使用；在罕遇地震作用下，天橋端部的懸挑板考慮被撞壞，從而留出伸縮空間，保證塔樓主體及天橋桁架主結構的安全。

(2)連廊下部于塔樓內(nèi)伸出防墜落挑板，其外挑長度大于罕遇地震作用下的絕對位移量，挑板兩側設置上反擋板，保證在最大位移或支座破壞情況下，天橋將擱置于防墜落挑板上，不致發(fā)生整體墜落，擋板也同時用于加強懸挑板強度。

3 案例三：臺風區(qū)大懸挑結構的支座抗連續(xù)倒塌設計

大懸挑輕型屋面結構，如大型體育場的懸挑桁架，其支座豎向力較小，支座承載力余量也較大，對其進行抗連續(xù)倒塌設計無實質(zhì)性意義。但我省位于臺風多發(fā)區(qū)，每年均有不同數(shù)量的臺風正面登陸，對于輕型屋面的大懸挑結構，一旦支座被拔起，結構將引起“反向”的連續(xù)倒塌現(xiàn)象，導致結構嚴重破壞，其支座的抗風負壓能力值得引起重視。本文就該工程結構的“反向”抗連續(xù)倒塌設計進行闡述。

如：廈門某體育場，主看臺采用鋼筋混凝土框架結構，屋面由東西兩個看臺屋面組成，東側看臺懸挑24m，內(nèi)跨長度6m，西側看臺懸挑33m，內(nèi)跨長度8m，屋蓋采用倒三角形空間管桁架懸挑結構，主桁架間設置3道聯(lián)系次桁架，用于加強其整體性。屋面系統(tǒng)為輕型壓型鋼板屋蓋系統(tǒng)。兩榀桁架間距離14m，最大一跨為21m。項目整體效果圖如圖7 所示。

圖7 效果圖3

設計中，采用拆除構件法對主桁架進行抗連續(xù)倒塌設計，考慮到風正壓及風負壓兩種工況，對主要弦桿及腹桿進行逐一拆除驗算，其方法及計算步驟與實例一類似，限于篇幅，不再贅述，僅論述其支座的抗連續(xù)倒塌設計思想。

3.1支座設計

設計中該支座內(nèi)力按以下兩種情況取大值進行：

(1)中考慮臺風可能超越本地基本風壓取值[4]，支座上拔力設計值按廈門近年來最大風速度44m/s進行驗算，換算基本風壓取1.2kn/m2。

(2)考慮當?shù)鼗撅L壓作用，拆除一個支座后，其余支座計算的上拔力值。兩種情況經(jīng)電算后其前支座在風負壓作用下最大上拔力近4500kN，后支座在風正壓力作用下最大上拔力近3500kN。

按常規(guī)方法設計時，支座一般采用成品抗拔支座或球形支座，現(xiàn)有的支座型式主要有球形抗拔支座及盆式抗拔支座兩種。兩種支座形式各有優(yōu)缺點。球形抗拔支座構造簡單，工藝成熟，但所能提供的抗拔力有限；盆式抗拔支座提供的抗拔力較大，但支座與柱腳節(jié)點分離，柱、支座及相連接構件間形成焊接串聯(lián)關系，且?guī)讞l主要焊縫為現(xiàn)場高空焊縫；焊縫可靠性較差。

該工程設計中，對支座節(jié)點進行專項設計研發(fā)，采用支座與桁架節(jié)點合并的方式，支座節(jié)點構件之間主要通過幾何承插及相互咬合連接，節(jié)點內(nèi)的焊縫起輔助連接作用，從而大大提高支座的安全度。同時，通過一系列構造型式，解決支座處節(jié)點的多桿相交碰撞問題。支座模型如圖8所示，該支座研發(fā)成功后，獲得國家發(fā)明專利授權[5]。

圖8 節(jié)點三維圖

3.2 前支座與柱的連接構造

前支座下的柱為型鋼混凝土柱，為保證抵抗較大的上拔力，下部混凝土柱中設置十字型鋼，在支座范圍內(nèi)取消十字柱的腹板，以利于鋼管柱腳安裝；鋼管柱腳底部設底板及螺栓，用于安裝及調(diào)平。安裝完成后，將十字柱翼緣與鋼管柱腳間的腹板恢復，采用等強坡口焊接連接；安裝完成后，對鋼管柱腳內(nèi)部采用壓力注漿填實。支座連接構造如圖9所示。

圖9 前支座連接構造詳圖

前支座通過支座底部插入柱內(nèi)型鋼中，并與之焊接連接；在形成外包式柱腳的受力模式同時，又將柱腳與混凝土柱內(nèi)的型鋼焊接一體進行直接傳力，大大增加柱腳的抗拔能力。

3.3 后支座與柱的連接構造

后支座連接的主體柱為鋼管混凝土柱，其連接主要靠二者交接處的等強融透焊縫，理論上其具有等強連接能力，但考慮到該處為在吊裝狀態(tài)下的高空現(xiàn)場焊縫，考慮高空人為操作的不穩(wěn)定性，可能將為該焊縫的可靠性帶來一定不利的影響，對重要的連接節(jié)點進行兩道防線設計，以保證在特殊的情況下該支座仍具有相當?shù)某休d力，為支座修復爭取時間。

設計中，利用支座管中的十字加勁肋伸出作為錨固連接段。于十字加勁肋端部設置盲板，將其插入下部的鋼管混凝土柱中，并在鋼管混凝土柱的頂端設置一道環(huán)形板，支座鋼管與鋼管混凝土柱等直徑進行等強融透焊。在該支座安裝完成后，通過壓力注漿，將鋼管混凝土柱內(nèi)的空間填實，使加勁肋與注漿體形成一個抗拔錨固段，作用于鋼管混凝土頂端的環(huán)形板上。設計時，考慮其可以承受全部的拉力，這樣可使該支座受拉方向有兩道防線，保證結構安全。其連接構造如圖10所示。

圖10 后支座連接構造

該工程經(jīng)受了2016年04號臺風“莫蘭蒂”的正面襲擊，主構件及圍護構件均完好無損，說明該工程的“反向”抗連續(xù)倒塌性能良好。

4 結語

在進行抗連續(xù)倒塌設計時，需對整體結構進行預判，選取最可能破壞的、且破壞時將可能導致結構產(chǎn)生嚴重后果的部位，對其進行合理的冗余度設計，并評估其失效后可能引起的連鎖反應，然后對強度不足構件進行加強，以滿足結構的安全性及經(jīng)濟性要求。進行構件抗連續(xù)倒塌內(nèi)力分析，殘余結構構件的應力比應控制在強度允許值內(nèi)。

在工程設計中，可以通過合理的節(jié)點設計，使結構受力與計算相符；同時融入了結構的抗連續(xù)倒塌設計理念，以較小的代價大幅增加結構安全度，實現(xiàn)小構造解決大問題的目的。