某超限高層的特大跨度連體結(jié)構(gòu)的受力性能分析

蘇森林，皮 佳

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州510010）

1 工程概況

某工程主體為2 座塔樓，相距約64 m，2 座塔樓在6、7 層采用鋼結(jié)構(gòu)連體進(jìn)行連接，連體最大跨度約85.0 m，屬于特大跨度連體結(jié)構(gòu)超限高層。其中A 塔樓地上8 層，地下1 層，總高度42.40 m，平面尺寸為30.40 m×63.20 m，主要層高為4.5 m 和4.2 m；B 塔樓地上10層，地下1層，總高度52.05 m，平面尺寸為33.30 m×62.60 m，主要層高為4.5 m。位于6、7 層處的連體寬9.3 m，2層高度共9.0 m（見圖1）。

圖1 2塔樓連體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.1 Calculation Model of Two Tower Connected Structure

2 連體結(jié)構(gòu)方案初步選型分析

2.1 連體鋼結(jié)構(gòu)桁架方案選型分析

結(jié)合建筑使用功能需求及結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，為適應(yīng)大跨度、高跨高比的需求（連體寬度9.3 m，最大跨度85 m，共2 層，高度9.0 m），連體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)桁架［1-2］。選取3 種鋼結(jié)構(gòu)桁架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行比選，分別為①普通桁架（上、下弦桿及腹桿采用Q420 鋼材，其余桿件采用Q345B 鋼材）；②斜腹桿為拉桿的桁架（上、下弦及直腹桿均為箱形截面，采用Q420 鋼材，拉桿采用Q650）；③空腹桁架（上、下弦及直腹桿強(qiáng)度等級(jí)為Q420）。連體桁架的主要節(jié)間間距為8.3 m（見圖2）。

對(duì)于本工程桁架結(jié)構(gòu)，在滿足建筑凈高及透光的要求下，選取剛度大截面高度小的箱型截面。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，其工程量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 連體鋼結(jié)構(gòu)桁架方案鋼材用量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of Steel Consumption for Conjoined Steel Structure Truss Scheme

從鋼材用量統(tǒng)計(jì)可以看出，普通桁架方案用鋼量遠(yuǎn)低于另外2種方案，經(jīng)濟(jì)性較好，且普通桁架方案的斜腹桿最大截面為B350×350×25，能夠滿足建筑功能及立面的要求。根據(jù)以上分析結(jié)果，結(jié)合結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)、建筑功能需求及經(jīng)濟(jì)性，本工程采用交叉斜桿的普通桁架方案。

2.2 連體鋼結(jié)構(gòu)與塔樓水平連接方式分析

因連體部分體量大，連體與塔樓的連接方式較為重要，在連體與B塔固結(jié)的條件下，采用有限元分析軟件Midas/Gen 分析對(duì)比連體與A 塔3 種不同連接方式的受力特征，包括鋼連體與A塔樓采用固接連接、采用鉸接連接以及采用滑動(dòng)支座連接。其中滑動(dòng)支座阻尼器參數(shù)為500 000 kN/m，阻尼系數(shù)3 000 kN/（m/·s-1），阻尼指數(shù)為0.3。

從分析結(jié)果看出（見圖3～圖5），固接與鉸接連接2 種方式其構(gòu)件內(nèi)力變化不明顯，但鉸接方式的桁架位移為固接方式的2倍，而滑動(dòng)支座連接方式，其構(gòu)件內(nèi)力及位移變形也更大。綜合考慮，雖然固接連接方式的邊跨桁架桿件內(nèi)力較大，但其仍處于桿件承載力范圍內(nèi)，本工程采用固接連接方式。

圖3 固接連接方式連體桁架計(jì)算結(jié)果Fig.3 Calculation Results of the Truss with Fixed Connection

圖4 鉸接連接方式連體桁架計(jì)算結(jié)果Fig.4 Calculation Results of the Truss with Hinged Connection

圖5 滑動(dòng)支座連接方式連體桁架計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation Results of the Truss with Sliding Connection

3 連體結(jié)構(gòu)的地震作用分析

本工程建設(shè)場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7 度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場(chǎng)地類別為Ⅱ類，本工程屬復(fù)雜連體超限高層，其連體桁架屬于關(guān)鍵構(gòu)件，采用Midas/Gen建立模型對(duì)其進(jìn)行正常使用階段的受力分析（考慮豎向荷載、地震作用及風(fēng)荷載），并進(jìn)行中震及大震的計(jì)算分析，因本連體桁架為大跨度連體，計(jì)算分析需同時(shí)考慮豎向地震的作用（1.2DL+0.6LL+1.3SEhk+0.5SEvk），連體桁架整體的性能目標(biāo)為中震彈性，大震不屈服［3-5］。模型進(jìn)行整體抗震驗(yàn)算時(shí)，需考慮樓板開裂對(duì)構(gòu)件的不利影響，因此計(jì)算時(shí)通過板厚設(shè)零來忽略樓板剛度的作用。

根據(jù)上述中震計(jì)算結(jié)果（見圖6～圖7），中震作用下弦桿最大軸力出現(xiàn)在地震工況下，跨中弦桿最大軸力出現(xiàn)在90°地震方向工況，約為7 325 kN；中間核心筒與B 塔連接區(qū)間的桿件軸力最大值出現(xiàn)在0°地震方向工況，約為12 680 kN；支座附近斜腹桿軸力較大，約為4 200 kN，經(jīng)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)截面應(yīng)力仍處于彈性階段，能滿足中震彈性及正常使用階段的設(shè)計(jì)要求［6-9］。

圖6 豎向荷載作用下主桁架軸力Fig.6 Axial Force of the Truss under Vertical Load（kN）

圖7 中震主桁架軸力Fig.7 Axial Force of the Truss during Moderate Earthquake （kN）

桁架在水平向等效彈性大震作用下，及豎向地震作用下的計(jì)算結(jié)果如圖8～圖9 所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，桁架在大震不屈服的工況下比中震彈性工況下內(nèi)力增大較多，整個(gè)桁架受力最大處為桁架上下弦支座處，軸力達(dá)到12 680 kN，應(yīng)力比達(dá)到0.85，仍滿足大震不屈服的性能目標(biāo)要求［10］。

圖8 大震0°方向主桁架軸力Fig.8 Axial Force of the Truss in 0° Direction during Rare Earthquake （kN）

圖9 豎向地震作用下主桁架軸力Fig.9 Axial Force of Main Truss under Vertical Earthquake （kN）

4 連體結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力分析

本工程連體構(gòu)件采用鋼結(jié)構(gòu)，受溫度作用影響明顯，需考慮溫度作用對(duì)連體結(jié)構(gòu)的影響。按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范要求，分別考慮升溫和降溫20 ℃的作用，溫度作用組合系數(shù)采用0.6。驗(yàn)算溫度作用時(shí)，考慮混凝土結(jié)構(gòu)的收縮徐變，混凝土彈性模型乘以0.3 的折減系數(shù)，鋼結(jié)構(gòu)彈性模量不變。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果（見圖10～圖11），連體桁架在升溫及降溫的荷載工況下，構(gòu)件變形最大位于連體跨中位置，而兩側(cè)塔樓抗側(cè)剛度大，變形小，但內(nèi)力相對(duì)較大。升溫及降溫對(duì)桁架影響很大，斜腹桿受溫度作用影響較小，經(jīng)復(fù)核各截面能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 升溫工況下主桁架軸力及變形Fig.10 Axial Force and Deformation of Main Truss under Heating Condition

圖11 降溫工況下主桁架軸力及變形Fig.11 Axial Force and Deformation of Main Truss under Cooling Condition

5 連體結(jié)構(gòu)的樓蓋舒適度分析

根據(jù)文獻(xiàn)［3］的要求，樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜的舒適度，且樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)頻率不宜小于3 Hz。本工程連體橫向跨度大，結(jié)構(gòu)剛度偏弱，采用Midas/Gen進(jìn)行連體桁架的樓蓋的舒適度分析，選取連體部位處的中間層樓板作為分析對(duì)象，樓蓋的阻尼比為0.02，樓板的自振頻率及周期計(jì)算結(jié)果如表2、圖12 所示，樓板的第一階豎向自振頻率1.09 Hz。

表2 樓板的自振頻率及周期計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculation Results of Natural Frequency and Period of Floor Slab

圖12 樓蓋的第一階基本振型Fig.12 The First Fundamental Mode Shape of the Floor

因?yàn)槿藗冇泄?jié)奏的步行活動(dòng)作用步頻通常為3 Hz，齊步行進(jìn)的步頻約為2 Hz，與本樓蓋基本振型的頻率相當(dāng)，因此還須驗(yàn)算樓板的豎向振動(dòng)加速度峰值。采用彈性時(shí)程分析方法驗(yàn)算人行走及跑動(dòng)時(shí)引起的樓板峰值加速度，其計(jì)算結(jié)果如表3所示，由計(jì)算結(jié)果可以看出，樓板舒適度滿足要求。

表3 樓板峰值加速度計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation Result of Peak Acceleration of Floor Slab

6 結(jié)論

綜上所述，本工程屬于含大跨連體的特殊類超限結(jié)構(gòu)，其大跨連體桁架屬于關(guān)鍵構(gòu)件，設(shè)計(jì)過程中對(duì)連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了小震、中震及大震的分析，連體結(jié)構(gòu)滿足中震彈性、大震不屈服的性能目標(biāo)，同時(shí)對(duì)連體結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力及樓板舒適度分析，進(jìn)一步驗(yàn)算其承載力。計(jì)算結(jié)果表明，連體桁架各項(xiàng)指標(biāo)均良好，滿足現(xiàn)行規(guī)范的相關(guān)要求。