大跨鋼連廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫欽學(xué) 李光明 姚永濤

【摘要】本文主要介紹濟(jì)南某商務(wù)區(qū)項(xiàng)目過街鋼結(jié)構(gòu)連廊的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)采用midas gen和midas FEA軟件進(jìn)行計(jì)算分析。對(duì)在恒載、樓面活載、溫度作用、地震作用、風(fēng)荷載作用下的連廊結(jié)構(gòu)桿件及其連接的強(qiáng)度及變形進(jìn)行驗(yàn)算。

【關(guān)鍵詞】鋼結(jié)構(gòu)連廊;平面桁架;溫度作用

1、概述

該連廊跨度36m，高度15.65m，共三層，連廊底位于2層，連廊屋面位于5層，整體效果圖如圖1，結(jié)構(gòu)分別由二層與三層樓面處弦桿及之間設(shè)置的腹桿組成單層平面鋼桁架和四層與連廊屋面弦桿及之間腹桿組成單層平面鋼桁架作為主受力構(gòu)件，形成上下兩層獨(dú)立受力的單層桁架結(jié)構(gòu)體系，詳圖2所示。連廊兩側(cè)平面桁架間距15m，桁架外側(cè)懸挑0.5m至3.5m，以滿足連廊造型要求，單層桁架受力體系詳國3所示，樓面采用鋼筋桁架樓承板。根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，連廊桁架底部一端設(shè)置鉸支座，一端設(shè)置滑動(dòng)支座，桁架頂部兩端均設(shè)置限制桁架平面外移動(dòng)的限位支座，保證桁架的平面外穩(wěn)定性。

2、荷載作用、特點(diǎn)及荷載效應(yīng)分析

2.1風(fēng)荷載

連廊位于兩棟建筑之間，風(fēng)荷載較大，且在垂直于連廊方向，風(fēng)荷載受荷面積大，應(yīng)對(duì)垂直于連廊方向的水平風(fēng)荷載作用進(jìn)行計(jì)算和分析。

2.2地震作用

連廊跨度36m，為大跨結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行水平地震作用和豎向地震作用[1]的驗(yàn)算。同時(shí)，根據(jù)連廊所搭兩側(cè)建筑，在地震作用的相對(duì)位移差，確定滑動(dòng)支座的滑動(dòng)值。樓板厚度150mm，且樓板在各層處，均較完整，在計(jì)算地震作用時(shí)，考慮樓板平面內(nèi)剛度，增加了連廊結(jié)構(gòu)水平方向的剛度，增加連廊兩側(cè)平面桁架，在桁架平面外的穩(wěn)定性。為滿足樓板與鋼結(jié)構(gòu)部分的連接，在設(shè)計(jì)過程中，要求鋼梁與樓板的栓釘連接，滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[2]對(duì)完全抗剪組合梁的要求。經(jīng)計(jì)算，在考慮樓板平面內(nèi)剛度后，連廊結(jié)構(gòu)水平方向最大自振周期1.231s，豎向最大自振周期1.832s，樓板較有效地增加了結(jié)構(gòu)水平向剛度。根據(jù)大震作用下，兩側(cè)建筑的相對(duì)位移差，確定滑動(dòng)支座最大滑動(dòng)為200mm。

2.3溫度作用

連廊長度較長，主受力構(gòu)件為鋼材，易受溫度變化的影響，需對(duì)溫差作用下，連廊的變形做相應(yīng)的分析，以為結(jié)構(gòu)提供設(shè)縫依據(jù)，以減少構(gòu)件內(nèi)的溫度應(yīng)力和樓板裂縫。結(jié)構(gòu)合攏溫度要求為15℃±5℃，升溫30℃，降溫30℃，在考慮升溫作用的標(biāo)準(zhǔn)組合作用下，下端滑動(dòng)支座最大位移約20mm。上端限位支座，最大位移約14mm。位移量均在下端滑動(dòng)支座和上端限位支座的允許值范圍內(nèi)。

2.4各荷載工況下的計(jì)算

在恒載、樓面活載、溫度作用、地震作用、風(fēng)荷載作用下[3]，采用midas gen對(duì)連廊結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，得出連廊平面桁架應(yīng)力比，弦桿最大應(yīng)力比0.463，腹桿最大強(qiáng)度應(yīng)力比為0.587，桁架桿件應(yīng)力比均小于1.0，滿足桁架

3、節(jié)點(diǎn)分析

連廊由兩榀主桁架，和桁架之間梁板及兩桁架外側(cè)的懸挑部分組成，為平衡桁架外側(cè)懸挑部分的彎矩作用，桁架之間搭在桁架上下弦桿節(jié)點(diǎn)位置的鋼梁與弦桿剛接，（搭在弦桿上的鋼梁與弦桿鉸接）。致使桁架節(jié)點(diǎn)既受桁架自身所受平面內(nèi)彎剪作用在節(jié)點(diǎn)位置的產(chǎn)生的應(yīng)力，還要承擔(dān)鋼梁傳來的桁架平面外的彎矩作用，受力較為復(fù)雜，現(xiàn)對(duì)受力較大的支座和跨中節(jié)點(diǎn)在風(fēng)荷載、地震作用，溫差作用等組合工況下的受力狀態(tài)做出分析?，F(xiàn)采用midas FEA軟件對(duì)較典型的跨中位置節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析，圖4為跨中位置節(jié)點(diǎn)在最不利荷載作用下的應(yīng)力云圖，僅局部交接位置有少于應(yīng)力集中，其他位置最大為152.9N/mm2，小于Q345的材料強(qiáng)度。

4、支座

連廊連接兩個(gè)單體建筑，如果連廊與兩側(cè)主體均固結(jié)或鉸接，會(huì)形成連體建筑，形成復(fù)雜高層建筑，連廊及相連兩側(cè)的主體受力復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度較大，且會(huì)增加建設(shè)成本，通過在連廊一端設(shè)置鉸支座，一端設(shè)置滑動(dòng)支座，使連廊與一側(cè)主體脫開，減少連廊對(duì)兩側(cè)主體的影響，簡化了結(jié)構(gòu)受力體系，減少了建設(shè)成本。

支座設(shè)置在每榀連廊桁架四個(gè)角部，桁架下部一端設(shè)置鉸接支座，詳圖5中支座類型一;另一端設(shè)置順桁架方向的單向滑動(dòng)支座，詳圖5中支座類型二;桁架上部兩端均設(shè)置僅限定垂直桁架方向的限位支座，詳圖6中支座類型三;以保證桁架平面外的穩(wěn)定，同時(shí)與下部支座一起承擔(dān)垂直于桁架方向的水平地震力和風(fēng)荷載作用。圖3中支座1、2采用支座類型一，為鉸支座[4]，支座3、4采用支座類型二，為單向滑動(dòng)支座，支座5、6、7、8采用支座類型三，為桁架上部限位支座。為保證連廊結(jié)構(gòu)整體能夠抵抗平面外的水平方向的風(fēng)荷載和地震作用，該處連廊支座承載力不得低于表1中各支座的在相應(yīng)方向反力值。如桁架下部支座，抗剪承載力不得低于1500KN，豎向抗壓承載力不得低于6000KN;而圖3所示為上部限位支座，四個(gè)上部支座均允許順桁架方向的滑動(dòng)，同時(shí)允許桁架在豎向發(fā)生一定的變形（變形范圍為），以減少較大的桁架平面內(nèi)內(nèi)力對(duì)限位支座的影響，在垂直桁架方向，支座5、6、7、8號(hào)支座應(yīng)能承受風(fēng)荷載和地震作用下在該方向的反力，桁架上部限位支座在垂直桁架平面方向的承載力不得低于1500KN。

結(jié)論：

（1）連體結(jié)構(gòu)屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)類型，中間連接體，采用一端鉸接，另一端滑動(dòng)的措施，較好地減小兩側(cè)建筑的受力復(fù)雜程度，使兩側(cè)建筑可以分別建模計(jì)算，簡化了結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析。

（2）在連廊樓板較完整，且樓板與鋼梁采取了有效連接的情況下，可以考慮樓板在平面內(nèi)的剛度，樓板為連廊整體提供較大的水平剛度，增加了連廊桁架平面外的穩(wěn)定性，并減小了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。

（3）因造型要求，連廊平面桁架平面外與樓面鋼梁剛接，承載平面外彎矩時(shí)，桁架受力較為復(fù)雜，但經(jīng)midas FEA軟件分析，典型節(jié)點(diǎn)處，鋼材應(yīng)力均小于所采用鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

（4）每榀桁架支座應(yīng)能承載，連廊在各荷載組合工況下的最不利組合值。且在支座位移釋放方向，支座的允許滑動(dòng)值，不應(yīng)小于結(jié)構(gòu)在地震作用，溫度作用等與恒、活荷載的準(zhǔn)永久組合作用下的變形量，從而達(dá)到計(jì)算模型中對(duì)各支座特性假定。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]GB50017-2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]GB50009-2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4] GB/T391-2009公路橋梁盆式支座[S].

作者簡介：

孫欽學(xué)，男，漢，碩士，中級(jí)工程師，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。