營前站鋼結(jié)構(gòu)連廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

劉保材

(福州軌道交通設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著時(shí)代發(fā)展，大跨空間結(jié)構(gòu)在建筑領(lǐng)域中得到大量運(yùn)用，桁架結(jié)構(gòu)體系在連廊中也是比較常見的結(jié)構(gòu)形式[1]。常規(guī)桁架結(jié)構(gòu)從外立面看比較美觀，但是由于斜腹桿存在，嚴(yán)重影響連廊內(nèi)部的視覺效果，空腹桁架在連廊中的運(yùn)用引起建筑師們的注意?？崭硅旒苡捎谌鄙傩备箺U傳遞剪力，要求豎向腹桿和水平弦桿必須采用剛接節(jié)點(diǎn)，利用弦桿和豎向腹桿的抗彎能力形成整體剛度及承載力?？崭硅旒苡捎跓o斜腹桿存在，大大地簡化了節(jié)點(diǎn)連接，施工方便；豎向腹桿可以結(jié)合幕墻門窗的門框豎桿進(jìn)行布置，美化了建筑，但是豎向腹桿和弦桿必須采用完全剛接，對施工質(zhì)量要求比較高。目前對空腹桁架鋼結(jié)構(gòu)連廊的文獻(xiàn)比較少。本文針對連接福州地鐵6號線營前站和附屬用房的鋼結(jié)構(gòu)連廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，通過對不同結(jié)構(gòu)方案的內(nèi)力和剛度分析，選擇一種最優(yōu)的空腹桁架結(jié)構(gòu)布置方案，同時(shí)從連廊荷載組合、靜力和動(dòng)力計(jì)算、橫風(fēng)向風(fēng)荷載計(jì)算及施工拼裝等介紹了鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)過程及強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)過程的重難點(diǎn)。

1 工況概況

圖1 營前站鳥瞰圖

營前站(圖1)是福州市軌道交通6號線車站之一，車站縱向長118m，橫向?qū)?9.8m，車站下部為開敞式單跨框架結(jié)構(gòu)。主體車站南側(cè)通過單層封閉式鋼結(jié)構(gòu)連廊與附屬設(shè)備樓相連，鋼連廊為兩跨連續(xù)空腹桁架結(jié)構(gòu)，左右兩品桁架中心間距6.9m(幕墻外表皮寬度為7.7m)，上下弦桿中心中心間距4.5m～5.4m(幕墻外表皮為6.7m)，跨度為23.3+23.15m，幕墻外表距離地面7.5m，兩端架設(shè)在兩棟主樓梁上，中間采用雙柱雙樁結(jié)構(gòu)。連廊屋蓋及側(cè)面采用鋁板裝修，走道采用鋪設(shè)花紋鋼板加石材鋪地裝修，連廊支座采用帶鉛鋅疊層橡膠支座。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及方案

2.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

該結(jié)構(gòu)為雙跨連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)連廊，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

(1)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，安全等級為一級。

(2)建筑抗震設(shè)防類別為丙類,抗震設(shè)防烈度為7度,設(shè)計(jì)基本加速度為0.10g，所在場地設(shè)計(jì)地震分組為第三組,場地類別為Ⅲ類，抗震等級為四級。

(3)荷載取值

①恒荷載：幕墻荷載按1.0kN/m2，考慮后期兩側(cè)面增加廣告牌預(yù)留2.0kN/m2；

走道(鋪設(shè)鋼板+50mm裝修層)1.35kN/m2；

②活荷載：走道人行荷載按4.1kN/m2；

不上人屋面按0.5kN/m2；

走道吊掛荷載(供電線路、信號、動(dòng)照、給排水管)按1.5 kN/m2；

③風(fēng)荷載：基本風(fēng)壓值為0.8kN/m2；

地面粗糙度為B類；

體形系數(shù)：情況1：迎風(fēng)面+0.8，背風(fēng)面-0.7，頂面風(fēng)吸-0.7；

情況2：迎風(fēng)面+0.8，背風(fēng)面-0.7，底面風(fēng)吸-0.5；

溫度荷載：降溫-20°C，升溫+30°C。

(4)構(gòu)件：材料Q345B

上下弦桿：HW400×400×13×21；

腹桿：方管400×400×14×14。

2.2 方案比選

由于支座位置剪力比較大，跨中剪力比較小，為了分析豎向腹桿及斜腹桿對結(jié)構(gòu)剛度及受力的影響，選取3個(gè)模型方案進(jìn)行研究。方案1(圖2)：全部采用豎向腹桿。方案2(圖3)：方案1基礎(chǔ)上取消中間兩道豎向腹桿。方案3(圖4)：方案1基礎(chǔ)上在支座位置左右各增設(shè)一道斜拉腹桿。分析對比時(shí)采用單工況恒荷載20kN/m施加在下弦桿上，具體分析結(jié)果如表1所示。

圖2 方案1立面圖

圖3 方案2立面圖

圖4 方案3立面圖

方案跨中擾度(mm)①軸力(kN)②軸力(kN)③軸力(kN)②彎矩(kN·m)④彎矩(kN·m)120.620232730366355224.5205332271131333311.42913506126356

從表1中數(shù)據(jù)可知：

(1)跨中腹桿對整體剛度有一定影響，但是影響不是很大；而支座兩側(cè)增加斜腹桿對結(jié)構(gòu)整體剛度影響比較大。

(2)從腹桿軸力對比，方案1和方案2軸力比較接近；從弦桿彎矩對比，由于方案2跨中減少了兩根豎向腹桿，弦桿彎矩會(huì)比方案1大很多。

(3)方案3由于支座位置增設(shè)斜拉腹桿，因此①③軸力會(huì)增加，由于③左右均設(shè)置斜拉桿，因此彎矩增加較多；②相比方案1軸力也有一定增加，說明桁架效應(yīng)比方案1更強(qiáng)；④位置由于方案3屬于常規(guī)桁架，因此彎矩會(huì)比方案1小很多。

綜上，該工程選用方案3作為連廊的結(jié)構(gòu)體系。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析與設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算程序與荷載組合

鋼結(jié)構(gòu)連廊支座采用帶鉛鋅疊層橡膠抗震支座與主體結(jié)構(gòu)采用脫開的方式，因此將連廊獨(dú)立計(jì)算，支座按廠家提供成品支座屈服前及屈服后水平兩向彈簧約束。鋼結(jié)構(gòu)連廊采用3D3S軟件進(jìn)行計(jì)算，并用sap2000復(fù)核受力，結(jié)果表明兩個(gè)軟件的內(nèi)力計(jì)算很接近。

在荷載組合中，考慮了恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、地震荷載和溫度荷載的影響。由于該連廊位于車站和附屬用房之間，考慮風(fēng)速在該區(qū)域有可能產(chǎn)生加速效應(yīng)，因此增設(shè)一個(gè)體型系數(shù)取向下風(fēng)吸-0.5工況；由于恒荷載中有預(yù)留一部分后期使用，因此對向上風(fēng)吸的組合中，對恒荷載做了適當(dāng)折減；該連廊為兩跨連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，因此活荷載應(yīng)考慮不利布置的影響，軟件中應(yīng)分別輸入進(jìn)行計(jì)算和組合。

3.2 連廊靜力計(jì)算

由于空腹桁架豎桿需要通過彎矩來協(xié)調(diào)上下弦桿形成整體桁架效果，因此所有桿件均采用梁單元計(jì)算；營前站所在地理位置風(fēng)荷載比較大，結(jié)構(gòu)需要一定的水平剛度來抵抗風(fēng)荷載，連廊樓板采用鋪設(shè)花紋鋼板的簡易做法，出于安全考慮，在水平方向設(shè)置圓管斜腹桿形成水平桁架。整體計(jì)算模型如圖5所示。

圖5 連廊結(jié)構(gòu)整體計(jì)算模型

人群荷載作用下變形驗(yàn)算：根據(jù)《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》等2.5.2條規(guī)定：人群荷載計(jì)算的最大豎向擾度限值L/800=23 300/800=29.125mm；在滿布人群荷載作用下跨中的最大豎向位移為5.0mm，單跨人群荷載作用下跨中的最大豎向位移為5.5mm，滿足限值要求。

恒活荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下變形驗(yàn)算：根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄B最大豎向擾度限值[νT]=L/400=23 300/400=58.25mm；在滿布人群荷載作用下跨中的最大豎向位移為24.7mm，單跨人群荷載作用下跨中的最大豎向位移為25.5mm，滿足限值要求；連廊一端支座是設(shè)置在車站主體的懸挑梁上，懸挑梁施加預(yù)應(yīng)力之后，梁整體向上變形10mm，根據(jù)主體計(jì)算結(jié)果(含天橋荷載)懸挑梁端部的豎向變形為+8mm，因此使用階段變形滿足規(guī)范要求。

水平風(fēng)荷載作用下水平變形驗(yàn)算：根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄B最大水平變形限值按[νQ]=L/500=233 00/500=46.6mm；單工況風(fēng)荷載作用下的水平最大變形為7mm(其中4mm由彈性支座引起，3mm由結(jié)構(gòu)自身變形引起)，滿足限值要求。

局部構(gòu)件驗(yàn)算按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行均能滿足要求。

3.3 連廊動(dòng)力特性

采用3D3S分別對支座屈服前模型(支座水平剛度是屈服后的10～15倍，本文按10倍取值)及屈服后模型(屈服后支座水平剛度與普通疊層橡膠支座水平剛度比較接近)進(jìn)行分析，選取前30個(gè)自振周期，計(jì)算結(jié)果顯示振型比較密集，表2～表3給出主要振型的計(jì)算結(jié)果，前面2個(gè)振型均為水平振動(dòng)，屈服前模型第5個(gè)振型為豎向振動(dòng)，自振頻率為3.86HZ，能滿足《城市人行天橋與人行地道技術(shù)規(guī)范》[5]第2.5.4條要求。

表2 動(dòng)力特性結(jié)果(屈服前)

表3 動(dòng)力特性結(jié)果(屈服后)

3.4 懸挑梁剛度影響

由于鋼連廊一端支座落在車站主體的懸挑梁上，連廊的舒適度容易受懸挑梁的剛度的影響，因此需要考察懸挑梁的豎向剛度對連廊的影響。懸挑梁的懸挑長度為6.0m，懸挑梁的斷面尺寸為2000×2000～1500(H)的變截面預(yù)應(yīng)力混凝土梁；通過對車站主體計(jì)算模型的懸挑梁端部施加1kN的集中力來提取懸挑梁的豎向剛度為600kN/mm，輸入電算計(jì)算結(jié)果與第5振型對應(yīng)的豎向自振周期為0.26208s，自振頻率為3.816HZ，與屈服前模型3.86HZ非常接近，說明懸挑梁剛度非常大，可以忽略其對連廊的影響。

3.5 橫風(fēng)荷載驗(yàn)算

風(fēng)是空氣從氣壓大的地方向氣壓小的地方流動(dòng)而形成。風(fēng)速越大，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓力就越大，從而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大的變形和振動(dòng)[2]。細(xì)長結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生順風(fēng)向效應(yīng)、橫風(fēng)向效應(yīng)及共振效應(yīng)和空氣動(dòng)力失穩(wěn)。當(dāng)橫風(fēng)向效應(yīng)和空氣動(dòng)力失穩(wěn)起作用時(shí)，有可能起到控制作用。因此需要對大跨鋼結(jié)構(gòu)連廊進(jìn)行橫風(fēng)向驗(yàn)算。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]橫風(fēng)向振動(dòng)按雷諾數(shù)Re劃分3個(gè)范圍：亞臨界范圍Re<3×105，超臨界范圍3×105≤Re<3.5×106，跨臨界范圍Re≥3.5×106；連廊的橫風(fēng)向第一自振頻率Fl1=0.905，目前國內(nèi)規(guī)范未對矩形結(jié)構(gòu)提供斯脫羅哈數(shù)St的取值，因此依據(jù)歐洲規(guī)范[6]對矩形d/b=7.7/6.7=1.15查得斯脫羅哈數(shù)St=0.11，鋼結(jié)構(gòu)連廊的阻尼比ξ=0.01，基本風(fēng)壓0.8kN/m2,距離地面高度14.2m，連廊頂風(fēng)速υ14.2：

連廊平均高度按D=5.0m，若T1取屈服前模型計(jì)算的第一個(gè)橫向振型的自振周期T1=0.55，因此臨界風(fēng)速υcr和雷諾數(shù)Re：

Re=69000×vcr×D

=69000×82.6×5=28.5×106

Re=28.5×106>3.5×106，處跨臨界范圍，可發(fā)生跨臨界的強(qiáng)風(fēng)共振；又由于υ14.2<υcr，因此可不進(jìn)行驗(yàn)算漩渦脫落共振效應(yīng)。

若T1取屈服后模型(即采用普通疊層橡膠支座)計(jì)算的第一個(gè)橫向振型的自振周期T1=1.1，因此臨界風(fēng)速υcr和雷諾數(shù)Re：

Re=69000×vcr×D

=69000×41.3×5=14.2485×106

Re=14.2×106>3.5×106，處跨臨界范圍，可發(fā)生跨臨界的強(qiáng)風(fēng)共振，又由于υ14.2<υcr，因此可不進(jìn)行驗(yàn)算漩渦脫落共振相應(yīng)，但由于實(shí)際風(fēng)速與臨界風(fēng)速比較接近，需引起注意。

從以上分析可知：對連廊支設(shè)計(jì)時(shí)，低位封閉式連廊應(yīng)選用屈服前剛度較大的鉛鋅橡膠支座來抵抗風(fēng)荷載作用，避免形成橫風(fēng)向共振效應(yīng)；高位封閉式連廊易引起橫風(fēng)向共振效應(yīng)，應(yīng)采取更有效的控制措施來保證結(jié)構(gòu)安全。

3.6 連廊拼裝及合攏

雙跨連續(xù)連廊(23.15m+23.3m)總長46.45m，超出車輛運(yùn)輸?shù)拈L度，因此需要將桁架分段進(jìn)行運(yùn)輸；分段位置應(yīng)設(shè)置在彎矩和軸力較小位置的位置。福州地區(qū)基本氣溫3°C ～37°C，最高極端氣溫40°C，最低極端氣溫在-1°C，夏季最高月平均氣溫為35°C，冬季最低月平均氣溫10°C，夏季室內(nèi)溫差按15°C，冬季室內(nèi)外溫差按15°C，鋼結(jié)構(gòu)外圍有玻璃幕墻包圍，屬于室內(nèi)構(gòu)件，合攏溫度取為15°C～30°C，根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》溫度作用計(jì)算如下：

Ts,max=0.5×[0.5×(37+40)+(35-15)]=29.25

Ts,min=0.5×[0.5×(3-1)+(10-15)]=13.25

升溫工況：

ΔTk=Ts,max-T0,min=29.25-10=19.25

降溫工況：

ΔTk=Ts,min-T0,max=13.25-30=-16.75

考慮外包幕墻為鋁板幕墻導(dǎo)熱系數(shù)比較大以及最高氣溫和最低氣溫有可能發(fā)生變化等因素影響，適當(dāng)取大溫度工況，升溫工況按+30°C，降溫工況按-20°C。

4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

空腹桁架由于缺少斜腹桿傳遞剪力，豎向腹桿和水平弦桿必須采用剛接節(jié)點(diǎn)，利用弦桿和豎向腹桿的抗彎能力形成整體剛度及承載力，豎向腹桿和水平弦桿的連接節(jié)點(diǎn)采用是類似梁柱節(jié)點(diǎn)做法，弦桿為貫通形式，具體做法如圖6所示。弦桿拼接節(jié)點(diǎn)需要按等強(qiáng)設(shè)計(jì)，具體做法如圖7所示。

圖6 連廊節(jié)點(diǎn)示意圖

圖7 弦桿拼接節(jié)點(diǎn)示意圖

5 施工吊裝工況驗(yàn)算

施工方案確定前應(yīng)依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范》(GB50755-2012)對鋼結(jié)構(gòu)吊裝進(jìn)行施工驗(yàn)算，選取合適施工方案。施工時(shí)建議采用分段整體式結(jié)構(gòu)吊裝，每個(gè)分段吊裝時(shí)下部設(shè)置臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。施工需要考慮荷載包括結(jié)構(gòu)自重、施工活荷載、10年一遇風(fēng)荷載，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[3]要求進(jìn)行荷載組合對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、穩(wěn)定和剛度進(jìn)行驗(yàn)算[4]。

6 結(jié)語

(1)鋼結(jié)構(gòu)連廊采用空腹桁架結(jié)構(gòu)體系可行，但是應(yīng)注意豎向腹桿與水平弦桿必須采用剛接節(jié)點(diǎn)。

(2)跨中腹桿對桁架整體剛度影響不大，在滿足上下弦桿受力及建筑專業(yè)要求前提，可以適當(dāng)拉大跨中腹桿間距，提高經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

(3)支座附近增加斜拉腹桿可以大大提高桁架整體剛度及改善桁架受力性能，在滿足建筑專業(yè)要求情況下，盡量增加支座附近斜拉腹桿。

(4)鋼結(jié)構(gòu)連廊兩端支座若設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)懸挑構(gòu)件上，主體結(jié)構(gòu)懸挑構(gòu)件應(yīng)提高設(shè)計(jì)水準(zhǔn)，同時(shí)應(yīng)考慮懸挑結(jié)構(gòu)對鋼結(jié)構(gòu)連廊的整體剛度不利影響。

(5)大跨鋼結(jié)構(gòu)連廊，長細(xì)比較小，對沿海風(fēng)荷載較大城市應(yīng)引起注意，容易引起橫風(fēng)向風(fēng)振效應(yīng)。

(6)鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)應(yīng)考慮施工因素，給出明確的構(gòu)件拼裝位置及合攏溫度。