大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)連廊的設(shè)計探討

龐建軍

桂林市建筑設(shè)計研究院 廣西桂林 541002

1 工程概述

某建筑工程項目，規(guī)劃設(shè)計總建筑面積為25.64 萬㎡，其中辦公建筑4 座，科研建筑5 座，通過2 組相對的弧形現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)組合而成。其中前弧形為辦公樓建筑，后弧形為科研建筑?？蒲袠侵g便于及時交流溝通，親臨現(xiàn)場研究，在六層設(shè)置了鋼結(jié)構(gòu)空中封閉連廊，連廊跨度為36m，寬度為8m，屬于典型的大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)連廊，有鋼桁架結(jié)構(gòu)組成。

2 復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)連廊選型要點分析

本工程結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，影響因素眾多，為滿足連廊結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定性和安全性的需求，復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)連廊選型最好選擇鋼桁架，因為，連廊結(jié)構(gòu)普遍具有跨度大，寬度小，且多為封閉式通道，鋼桁架可以選擇兩片主桁架，保證所選桁架的高度能夠很好的利用連廊高度，但又不會影響建筑的美觀性。通常情況下，桁架有兩種基本形式，一種是弦桿+斜腹桿+豎腹桿，另一種是弦桿+豎腹桿+斜桿。二者相比，第一種桁架形式具有簡潔明快的優(yōu)點，斜腹桿角度控制在45°為最佳。第二種能夠在一定條件下滿足建筑立面采用幕墻裝飾的要求，且豎腹桿之間的間距和玻璃幕墻塊的寬度要呈現(xiàn)倍數(shù)關(guān)系。桁架弦桿可選擇H 型截面，腹桿可以選擇H 型截面，也可以選擇箱型截面，為滿足復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計安全性、經(jīng)濟性的需求，本工程選擇了第一種連廊結(jié)構(gòu)。

3 大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)連廊的設(shè)計思路

3.1 相關(guān)參數(shù)設(shè)計

本工程連廊結(jié)構(gòu)的長度為36m，寬度為8m，設(shè)計標(biāo)高達到59.6m，連廊的屋面鋼梁和樓面鋼梁都采用H 型熱軋鋼橫截面。為保證設(shè)計參數(shù)的有效性和針對性，通過專業(yè)的計算軟件進行分析，計算結(jié)果表明，該連廊結(jié)構(gòu)的最大撓度為19.6mm，滿足小于90mm 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。計算結(jié)果顯示，連廊結(jié)構(gòu)全部構(gòu)件的應(yīng)力比都小于1.0，強度、承載力等指標(biāo)也都符合設(shè)計要求。在大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)連廊中，風(fēng)荷載設(shè)計是非常重要的參數(shù)，因為，在風(fēng)荷載的作用下，連廊結(jié)構(gòu)自身就存在一定的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)[1]。所以，在具體設(shè)計時，必須將連廊結(jié)構(gòu)可能受到的風(fēng)荷載造成的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)考慮到其中。鋼結(jié)構(gòu)的特性了一旦發(fā)生扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，則和鋼結(jié)構(gòu)連接的主體建筑也會發(fā)生不對稱問題，致使兩個主體建筑之間發(fā)生相對位移。在本工程連廊結(jié)構(gòu)設(shè)計中，采用了MIDAS GEN 軟件來計算連廊結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載，放大倍數(shù)是設(shè)置為1.1 倍，在Y+和Z-兩個方向同時施加一定的風(fēng)荷載，其中迎面風(fēng)載體系數(shù)為-0.8，背面風(fēng)載體系數(shù)為-0.5，風(fēng)荷載對連梁結(jié)構(gòu)影響最大的條件下，所承受的最大應(yīng)力為402MPa，滿足了屈服強度的需求，本工程大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計抗風(fēng)荷載合理。

3.2 節(jié)點設(shè)計

連廊結(jié)構(gòu)的特殊性決定了其在使用過程中，會受到風(fēng)荷載、地震、外界環(huán)境變化等因素的硬性，會導(dǎo)致連廊兩端的主體建筑發(fā)生不同程度的水平位移，此種問題是客觀存在的，很難從根本上得到有效規(guī)避，但可以通過一系列行之有效的方法，來控制此種位移，避免有效主體建筑的獨立關(guān)系。在設(shè)計中可將兩個主體建筑的水平位移區(qū)分開來，常用的做法是尋找絞接和滑動連接的方式來連接連廊和兩端的主體建筑。此中連接方式，能夠保證連廊兩端支座都可以提供水平方向和豎直方向上的限制作用。比如：滑動連接端的支座，能夠有效承擔(dān)沿著連廊方向的位移作用，最大作用強度可以按照建筑工作所在地的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計[2]。本工程計算出的最大彈塑性位移變化為147mm。因此，本工程連廊結(jié)構(gòu)滑動連接端支座設(shè)計參數(shù)為：最大豎向支撐為1600KN，沿著連廊方向的變化位移為160mm，最大轉(zhuǎn)向位移為0.02rad。為滿足抗震性的需求，還要在連廊兩端節(jié)點的位置寬度不小于120mm 的抗震縫，并在節(jié)點位置要適當(dāng)加大牛腿、柱等主要支撐構(gòu)件的前度，以保證大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)連廊能夠承受較大地震的影響。比如：采用鋼筋混凝土連廊柱，能夠大幅度提升連廊的荷載性能，提升你連廊結(jié)構(gòu)的總體可靠性和穩(wěn)定性。

3.3 屋面設(shè)計

雖然屋面設(shè)計對鋼桁架結(jié)構(gòu)的影響比較小，但在設(shè)計中也應(yīng)引起重視，屋面處于鋼桁架之下，會受到平面拉力的影響，此種平面拉力需要樓蓋梁和樓板同時承受。而位于鋼桁架之上的樓蓋主要會受到壓力的影響，為控制此種影響，可通過組合梁的方法來抵消壓力，在實際設(shè)計中通過降低梁截面大小的方法進行處理。

3.4 舒適度設(shè)計

舒適度設(shè)計是大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計的核心內(nèi)容，對提升連廊的柔性有很大影響，在具體設(shè)計中，需要綜合考慮連廊中行人的通行荷載，最大限度提升行人通過連廊時的舒適性。自振頻率和加速度的相對峰值是連廊舒適度設(shè)計的核心[3]。在本工程設(shè)計中，采用MIDAS GEN 和YJK 軟件進行聯(lián)合設(shè)計，自振頻率可尋找兩個設(shè)計軟件的平均值。通過計算單人通行、多人橫向并排通行和多人縱向排列通行來獲知最大加速度峰值，計算結(jié)果為0.042t，國家要求的標(biāo)準(zhǔn)為0.15g，滿足要求，舒適度合理。

4 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合工程實例探討了大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)連廊的設(shè)計，探討結(jié)果表明，鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計難度比較大，尤其大跨度復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計難度成倍增長。為保證連廊設(shè)計效果，需要結(jié)合工程特性，選擇合理的連廊結(jié)構(gòu)造型，從相關(guān)參數(shù)設(shè)計、節(jié)點設(shè)計、屋面設(shè)計、舒適度設(shè)計等費方面同時入手，才能提升設(shè)計質(zhì)量，滿足連廊結(jié)構(gòu)對穩(wěn)定性、安全性、可靠性的需求。