鋼結(jié)構連廊結(jié)構設計探析
——以濱海新城智慧城市運營管理中心工程為例

張璘琳

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來，隨著建筑行業(yè)迅速發(fā)展，施工技術不斷提高。建筑形式呈現(xiàn)越來越多樣化及復雜化發(fā)展趨勢，大跨度空中連廊越來越多被運用于現(xiàn)代建筑。在大跨度鋼結(jié)構連廊設計中，最常用的桁架結(jié)構形式主要有普通桁架結(jié)構體系和空腹桁架結(jié)構體系，二者在工作機理、力學特點及用鋼量方面各不相同。基此，本文以濱海新城智慧城市運營管理中心鋼結(jié)構連廊結(jié)構設計為例，比較分析普通桁架和空腹桁架的工作機理和力學特點以及經(jīng)濟性指標，尤其著重介紹該鋼結(jié)構連廊中震設計過程，分析連廊相關范圍樓板的應力分布特點及其性能化設計和鋼結(jié)構連廊桁架節(jié)點形式。

1 工程概況

濱海新城智慧城市運營管理中心，位于福州濱海新城文武砂鎮(zhèn)新宅路西北側(cè)，工程總建筑面積約56 147m2，其中，地上建筑面積44 104 m2，地下建筑面積12 043 m2；上部建筑平面長度約141m，寬度約63m。該工程地下1層，上部5層，局部塔樓9層；室外地面至大屋面高度22.70 m，室外地面至局部塔樓屋面高度39.50m。左右兩個部分在四層至五層屋面通過跨度33.6 m的鋼結(jié)構連廊連為一體(圖1)，左部分建筑平面主要為規(guī)劃展示區(qū)、多功能廳和指揮大廳，其余建筑平面為設備用房和辦公室；右部分建筑平面主要為行政服務中心和食堂。

圖1 效果圖

2 結(jié)構設計概況

該工程為鋼筋混凝土框架結(jié)構體系(少墻)，結(jié)構的設計使用年限為50年，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.08；場地土類別為III類，設計地震分組為第三組，場地特征周期Tg=0.65s。地面粗糙度B類，基本風壓0.8kN/m2(50年一遇)。

根據(jù)現(xiàn)行國家相關規(guī)范要求，該建筑抗震設防類別為標準設防類，建筑結(jié)構安全等級二級，重要性系數(shù)取值1.0，鋼筋混凝土框架抗震等級二級，剪力墻抗震等級二級，鋼框架抗震等級四級；鋼結(jié)構連廊部分相關構件，鋼筋混凝土框架抗震等級一級。指揮大廳相關部分抗震設防類別為重點設防類，建筑結(jié)構安全等級一級，重要性系數(shù)取值1.1，鋼筋混凝土框架抗震等級一級，鋼框架抗震等級三級。

基礎設計等級乙級。據(jù)中化明達(福建)地質(zhì)勘測有限公司提供的巖土工程勘察報告，經(jīng)多方案比較，該工程采用高強預應力混凝土管樁PHC600-130-AB，樁端持力層為(8)-1砂土狀強風化花崗巖層。

該工程采用YJK建筑結(jié)構設計軟件計算分析。

3 鋼結(jié)構連廊方案比較

該建筑左右兩個部分在四層～五層屋面通過鋼結(jié)構連廊連為一體，連廊跨度33.6 m(圖2)。連廊與左右兩部分采用兩端剛接的強連接方式，連廊與主體結(jié)構連為一體。

普通桁架可適應的跨度范圍很大，桿件均為二力桿，受力體系較簡單，用鋼量省，但由于設置了斜腹桿，連廊在視覺效果及立面造型受到影響?？崭硅旒苡捎诮Y(jié)構組成沒有斜腹桿，可以充分利用結(jié)構空間，空腹桁架就桿件屬于梁單元，交會于各個節(jié)點處的桿件較少，但受力較為復雜，除了承受軸力之外，還承受彎矩和剪力的共同作用，用鋼量相對較大[1]。

圖2 結(jié)構平面布置圖

(a)平面布置

(b)立面布置圖3 方案一 空腹桁架

(a)平面布置

(b)立面布置圖4 方案二 普通桁架

對于連廊自身結(jié)構體系的選擇，在方案設計階段分別考慮普通桁架結(jié)構體系和空腹桁架結(jié)構體系，并對兩種結(jié)構體系分析比較。在平面上，除豎腹桿位置設置水平聯(lián)系梁之外，兩者均設置了水平桁架以增加連廊整體性能。兩種方案腹桿均與上下弦桿采用剛接連接。以北側(cè)連廊為例，連廊布置方案如圖3、圖4所示。方案一為空腹桁架結(jié)構體系，弦桿與腹桿均采用箱型型鋼，弦桿截面800×1600×30×30×30×30，腹桿截面800×800×30×30×30×30，兩端柱采用箱型型鋼混凝土柱，截面尺寸1200×2000(型鋼尺寸為800×1600×40×30)。方案二為普通桁架結(jié)構體系，弦桿與腹桿均采用箱型型鋼，弦桿截面700×600×30×30×30×30，斜腹桿及豎腹桿截面均700×700×30×30×30×30，兩端柱采用箱型型鋼混凝土柱，截面尺寸1200×2000(型鋼尺寸700×1600×30×40)。

經(jīng)過計算分析，方案一空腹桁架跨中撓度為23.53mm，方案二普通桁架跨中撓度為12.38mm。局部桿件內(nèi)力計算結(jié)果如表1～表2所示，局部桿件應力計算結(jié)果如圖5～圖6所示，用鋼量如表3所示。

表1 方案一 空腹桁架桿件計算結(jié)果

表2 方案二 普通桁架桿件計算結(jié)果

表3 用鋼量比較

根據(jù)對比分析，得出以下結(jié)論：

(1)普通桁架跨中撓度小于空腹桁架跨中撓度，普通桁架整體剛度優(yōu)于空腹桁架。

(2)方案一，空腹桁架弦桿整體彎矩產(chǎn)生弦桿軸力，整體剪力產(chǎn)生桿件端部彎矩，設計可以通過調(diào)整弦桿、腹桿截面尺寸及腹桿的間距來滿足結(jié)構變形及承載能力。

方案二，普通桁架桿件內(nèi)力以軸力為主，整個桁架相當于一個截面高度為8.4m的普通梁，梁端彎矩轉(zhuǎn)換為上、下弦桿軸向力，梁剪力通過腹桿傳遞到支座。

(a)四層局部桿件應力計算結(jié)果

(b)五層局部桿件應力計算結(jié)果

(c)六層局部桿件應力計算結(jié)果圖5 方案一 空腹桁架應力計算結(jié)果

(a)四層局部桿件應力計算結(jié)果

(b)五層局部桿件應力計算結(jié)果

(c)六層局部桿件應力計算結(jié)果圖6 方案二 普通桁架應力計算結(jié)果

(3)空腹桁架桿件存在較大彎矩，需要慣性矩較大的截面來承受彎矩；普通桁架桿件內(nèi)力以軸力為主，能更為有效利用構件截面，用鋼量僅為空腹桁架方案的73%。

綜合分析兩種方案力學特點以及經(jīng)濟性指標，該工程最終采用普通桁架方案。

4 鋼結(jié)構連廊“中震”計算分析

為了保證地震時正常的生產(chǎn)生活功能，降低地震所引起的經(jīng)濟損失情況，該項目設計采用高于基本抗震設防目標的性能化設計方法，即針對具體工程的需要和可能，對整個結(jié)構、某些部位和關鍵構件靈活運用各種措施達到預期的性能目標[2]。結(jié)合《建筑抗震設計規(guī)范規(guī)范》GB50011-2010(2016年版)相關規(guī)定的抗震性能目標：小震不壞、中震可修、大震不倒，以及專家論證會的專家意見，該工程具體采用的抗震性能目標——在設防烈度地震(即中震)作用下，關鍵構件應滿足正截面不屈服及其受剪承載力彈性的要求。

構件截面抗震驗算公式如下：

γGSGE+γESEK+ψWγWSWK≤R/γRE

(1)

式(1)中：γG、γE、γW分別為重力荷載、地震作用、風荷載分項系數(shù)；

SGE、SEKE、SWK分別為重力荷載、地震作用、風荷載標準值效應；

ψW為風荷載組合系數(shù)；

R為構件承載力設計值；

γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)。

根據(jù)選取的不同性能目標，以上各參數(shù)在設計中按照如下情況選取：

(1)保持彈性：分項系數(shù)按照規(guī)范規(guī)定取值，材料取規(guī)范規(guī)定的設計強度，不考慮與抗震等級有關的增大系數(shù)，不考慮風荷載組合作用，考慮承載力抗震調(diào)整系數(shù)γRE=0.75～0.85。

(2)不屈服： 作用分項系數(shù)及承載力抗震調(diào)整系數(shù)均取1，不考慮風荷載組合作用，不考慮與抗震等級有關的增大系數(shù)，材料取規(guī)范規(guī)定的標準強度。

該項目抗震設防烈度7度(0.10g)。設防地震的地震影響系數(shù)最大值0.23，采用YJK建筑結(jié)構設計軟件計算分析，連廊部分程序計算結(jié)果如圖7所示，相關構件應力比及配筋計算結(jié)果均能滿足中震作用正截面不屈服及其受剪承載力彈性要求。設計過程除了根據(jù)多遇地震下的計算結(jié)果進行構件設計，同時還按照中震作用下的計算結(jié)果復核構件截面及構件配筋。

5 樓板應力計算分析

該工程連廊與左右兩部分采用兩端剛接的強連接方式，連廊與主體結(jié)構連為一體，樓板連接薄弱的現(xiàn)象會引起局部樓板內(nèi)應力的劇烈變化。因此，樓板應力分析是該項目涉及的重點之一，需要對樓板進行應力分析和性能化設計。

樓板性能化設計目標為滿足中震不屈服要求，即滿足下式：

σ1k中震·h·b≤Asfyk

(2)

式(2)中：σ1k中震為考慮中震效應標準組合作用下樓板的主拉應力；

h表示樓板厚度；

b表示單位板寬(本工程取1000mm板寬進行計算)；

fyk表示鋼筋的抗拉強度標準值；

As表示單位板寬范圍內(nèi)樓板頂面和底面水平鋼筋的總面積。

(a)四層局部桿件應力計算結(jié)果

(b)五層局部桿件應力計算結(jié)果

(c)六層局部桿件應力計算結(jié)果圖7 連廊中震計算結(jié)果

經(jīng)過計算分析，樓板X向應力計算結(jié)果普遍大于Y向，設計中根據(jù)X向主拉應力計算結(jié)果進行設計。圖8為中震荷載作用下，X向連廊附近樓板的應力情況。

(a)四層應力計算結(jié)果

(b)五層應力計算結(jié)果

(c)六層應力計算結(jié)果圖8 連廊中震作用下樓板X向應力計算結(jié)果

以X向主拉應力計算結(jié)果進行配筋計算，四～六層連廊相關區(qū)域加強部位配筋計算結(jié)果如表4所示。

表4 加強區(qū)域配筋計算結(jié)果

6 節(jié)點設計

該項目連廊與主體結(jié)構采用兩端剛接連接的強連接方式，這種連接方式使得連廊與主體結(jié)構連為一體，連廊參與協(xié)調(diào)兩側(cè)主體結(jié)構之間的變形[3]。兩端主體結(jié)構剛度會隨之改變，動力特性也會受到相互影響，導致連接部位的應力變得復雜[4]。

設計過程除了考慮左右兩部分按照整體和分塔模型進行包絡設計，節(jié)點的設計尤為重要。該項目在桁架兩端設置箱型型鋼混凝土柱，桁架的弦桿伸入兩端主體結(jié)構一跨(桁架兩端主體結(jié)構首跨梁為型鋼混凝土梁)。弦桿與腹桿之間，弦桿、腹桿與型鋼混凝土柱鋼骨之間均為剛接連接。

項目上、下弦桿采用貫通形式，跨層的腹桿貫通，節(jié)點區(qū)域設置多道加勁肋板，保證各桿件內(nèi)力有效傳遞。此外，根據(jù)應力計算結(jié)果適當加大弦桿與斜腹桿相交處加勁板的厚度。桿件之間均采用對接坡口焊連接。典型桁架節(jié)點如圖9所示。

(a)端部節(jié)點

(b)中間節(jié)點圖9 典型桁架節(jié)點

7 結(jié)語

(1)對于鋼結(jié)構連廊，采用空腹桁架結(jié)構或采用普通桁架結(jié)構各有利弊。該項目通過分析比較兩者的工作機理和力學特點以及用鋼量，綜合考慮多方因素，最終采用普通桁架結(jié)構體系。

(2)該工程結(jié)構在設防烈度地震(即中震)作用下，關鍵構件(連廊及相關豎向構件)應滿足正截面不屈服及其受剪承載力彈性的要求，以實現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震性能目標。經(jīng)計算分析，該連廊滿足設計要求。

(3)對連廊相關區(qū)域，由于樓板連接薄弱的現(xiàn)象引起局部樓板內(nèi)應力劇烈變化，因此對樓板進行應力分析并進行性能化設計。該項目樓板的性能化設計目標為滿足中震不屈服要求，根據(jù)樓板應力分布情況對連廊相關范圍加強配筋。

(4)兩端剛接連接的強連接方式，使得連廊兩側(cè)主體結(jié)構剛度受到影響，兩者動力特性相互影響，連接部位的應力更加復雜，因此節(jié)點設計是鋼桁架連廊的重難點之一。