柔性連接連體結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

馬大杰，袁斌波

（禾澤都林設(shè)計集團有限公司，浙江嵊州 312400）

1 引言

隨著建筑行業(yè)不斷向前發(fā)展，現(xiàn)代建筑的功能也出現(xiàn)了不同以往的變化，因此，各種改進措施和應(yīng)對方案應(yīng)運而生。為滿足建筑各部分主體結(jié)構(gòu)的連接和使用要求，常在主體部分之間設(shè)置連廊結(jié)構(gòu)。當前，帶連廊的建筑結(jié)構(gòu)是在建筑行業(yè)中較為常用的建筑結(jié)構(gòu)，走廊與主體的連接主要采用剛性連接、鉸鏈連接、滑動連接、柔性連接等鏈接方法。JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中規(guī)定：在連體結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)中間采用剛性連接[1，2]。

緊密的連接使相互連接的主體結(jié)構(gòu)相互影響，產(chǎn)生耦合現(xiàn)象，使連接處的應(yīng)力變得更加復雜。由于地震的影響，廊道結(jié)構(gòu)容易與主體結(jié)構(gòu)分離，嚴重的甚至會造成整體倒塌現(xiàn)象。這些情況致使連廊結(jié)構(gòu)的設(shè)計成為當前結(jié)構(gòu)設(shè)計人員面臨的難題。目前，我國對帶走廊的復雜性和功能性強的建筑物設(shè)計還沒有完善的技術(shù)標準。國內(nèi)外諸多專家學者對連廊結(jié)構(gòu)進行了大量的研究調(diào)查分析，如對摩天大樓廊道結(jié)構(gòu)連接方式的理論分析、振動臺試驗研究等，探討連接體位置發(fā)生變化對結(jié)構(gòu)體系抗震性能的影響等[3]。當兩側(cè)塔樓動力特性相差較大時，連接體一般采用半剛性連接，連接體包括一端剛接、一端滑動或一端剛接、一端鉸接等幾種形式。當兩側(cè)塔樓體型特殊及剛度較大，其動力特性相差很大時，連接體可采用柔性連接，可減弱連接體對兩側(cè)塔樓的影響，此時連接體一端滑動、一端鉸接或兩端均為滑動。對于連體結(jié)構(gòu)的滑動連接點，可以設(shè)于塔樓節(jié)點位，并設(shè)置防跌落裝置，確保連接體在經(jīng)歷罕遇地震作用時不致跌落，以防發(fā)生次生災(zāi)害。

2 工程概況

本項目工程主體為多層框架廊道結(jié)構(gòu)，包含了兩座5 層樓高的廠房以及1 座5 層樓高的附屬樓，廠房工程主體為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；廠房、附屬樓以及地下室的層高分別為24.6 m、23.6 m、3.4 m。附屬樓與廠房之間存在高度差，因此，兩棟建筑的每層樓之間都會發(fā)生錯位。在整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計上，兩座廠房和附屬樓，在主體兩端的垂直方向上布置了2 個獨立的連接通道，形成一個對稱的廊道結(jié)構(gòu)；兩條廊道標高分別為14.1 m 和18.6 m，廊道兩端的標高一致，走廊跨度為17.0 m，寬度25.2 m。

本項目中的柔性連接采用鉛芯疊層橡膠支座，位于廊道與主體結(jié)構(gòu)的連接處，柔性支撐件的機械性能見表1。

表1 柔性支撐件的機械性能

3 柔性連接連體體系性能分析

3.1 連接結(jié)構(gòu)整體分析

若連廊與主體結(jié)構(gòu)分別用柔性連接和剛性連接時，在連接結(jié)構(gòu)的前12 階周期和模態(tài)系數(shù)圖中，通過詳細的測算，綜合分析各周期模態(tài)的情況。連接結(jié)構(gòu)的振動主要參考各單元的第一模態(tài)，中心的單體振動為前3 階振型，兩邊對稱的主體振動為4～6 階振型。結(jié)合相關(guān)計算得出，柔性連接方式結(jié)構(gòu)的整體剛度小于剛性連接方式結(jié)構(gòu)，而兩端柔性連接的結(jié)構(gòu)整體剛度普遍比較低，廊道與主體結(jié)構(gòu)柔性連接周期比采用剛性連接的略有增加[4]。

3.3 連接體與主體結(jié)構(gòu)滑動量計算

本工程為多層構(gòu)架廊道的建筑物，該項目場地處于地震帶附近，場地類別為Ⅱ類，建筑物主體框架抗震等級為二級。對本工程結(jié)構(gòu)進行3D 有限元時程分析，并且采用了最新的空間計量模型，通過隔震支撐單元模擬柔性連接結(jié)構(gòu)的非線性特性。輸入來自實際地震記錄的5 個自然波和與站點匹配的3個人工合成具有加速度時程的場地波。

參考姚江強學者的研究可知[5]，當連接體與主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滑動時，支座的滑移量要滿足兩個方向的移動，當?shù)卣鹚轮ё疲瑧?yīng)考慮使用時程分析。因此，對本工程進行時程分析，結(jié)果表明，地震作用下左側(cè)多層結(jié)構(gòu)連接體所處樓層發(fā)生的最大位移量為75 mm，在地震作用下右側(cè)高層結(jié)構(gòu)連接體所處樓層，兩個方向發(fā)生的最大位移量分別為40 mm、51 mm。

綜上，需要根據(jù)所處樓層的最大位移量，設(shè)計本工程支座的滑動位移量。故本工程設(shè)計中，鋼連廊滑動支座的一般允許水平位移量取100 mm。根據(jù)規(guī)定，本工程連體結(jié)構(gòu)最小防震縫寬度為140 mm，比鋼連廊滑動支座的允許水平位移量要大，本次設(shè)計中防震縫取值為150 mm，滿足預(yù)防連接體與右側(cè)高層相撞的設(shè)計要求。

固定鉸支座和雙向滑動鉸支座均采用成品抗震支座，應(yīng)由專業(yè)廠家設(shè)計制作，以滿足安裝要求。支架與上下結(jié)構(gòu)均在工程現(xiàn)場進行焊接，采用E43 型焊條進行手工焊接，H08Mn2SiA 焊絲進行CO2氣體保護焊，設(shè)計焊縫為坡口焊，保證焊縫質(zhì)量等級為二次焊。在支座安裝時，應(yīng)采取可靠的措施，確保支座安裝過程中的受力在設(shè)計支座承載力限值以內(nèi)。在滑動支座和鉸支座周圍均設(shè)置鋼筋混凝土防跌落擋板，以防連接體在地震作用下發(fā)生掉落，從而引發(fā)次生災(zāi)害。

3.4 支座連續(xù)抗倒塌分析

支座作為支撐連廊的重要構(gòu)件，如果其中一個支座突然失效，這樣會導致結(jié)構(gòu)安全冗余度降低，有可能造成連廊連續(xù)性破壞或倒塌情況。因此，作為本工程重點控制的結(jié)構(gòu)，采用拆除構(gòu)件法對連廊抗連續(xù)倒塌情況進行分析，每榀桁架單側(cè)共設(shè)計8 個支座，考慮結(jié)構(gòu)對稱性，假定其中一個支座失效，計算結(jié)果見表2。

從表2 可知：

表2 單個支座失效后計算結(jié)果

1）在單個支座失效時，支座最大反力為2 922 kN，小于支座承載力規(guī)定的設(shè)計值3 000 kN；

2）連廊鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力比0.95，小于規(guī)定的最大應(yīng)力比1.0；

3）上層支座的最大支座反力要比下層支座大，下層支座對連廊的最大應(yīng)力要比上層支座大；

4）單個支座失效對連廊整體的豎向變形影響很小。當走廊與主體結(jié)構(gòu)分別采用柔性連接和剛性連接時，對低強度地震下位移響應(yīng)進行分析，對在地震作用下主體結(jié)構(gòu)樓層之間的平均位移進行響應(yīng)計算；如果連體結(jié)構(gòu)遇到大的地震波時，則分別計算柔性連接和剛性連接的主體結(jié)構(gòu)樓層之間的位移響應(yīng)情況。本工程將剛性連接與柔性連接的層間位移響應(yīng)進行比較，可知柔性連接的層間位移小于剛性連接的層間位移。但在某種程度上看，不同連接方式的層間平均位移響應(yīng)圖形的形狀大致相同，而廊道位置層位移比較大。因此，要改善廊道的豎向結(jié)構(gòu)剛度，從而有效減少了因結(jié)構(gòu)突變造成的薄弱部位倒塌的現(xiàn)象。

由此可見，通過設(shè)置雙層支座，不僅能分散豎向力，降低單個支座高度，還能提高結(jié)構(gòu)的安全冗余度和抗連續(xù)倒塌能力。但由于雙層支座受力冗余度大，這對支座受力控制和施工精度提出了較高的要求，在實際施工中應(yīng)設(shè)置應(yīng)力片對支座處的受力狀態(tài)進行檢測，以保證施工質(zhì)量和安全。可以在支座底板邊緣設(shè)置高強度邊界，不僅可以作為固定板簧的組件，還可以有效避免發(fā)生極端情況，避免連接體與主體結(jié)構(gòu)位移差較大，連接體跌落的情況[6]。

4 結(jié)語

采用柔性連接的連體結(jié)構(gòu)受力形式簡單，能夠避免連體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生復雜受力，有效降低扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，同時此種連體結(jié)構(gòu)還有良好的經(jīng)濟效益，連廊和主體結(jié)構(gòu)也可單獨設(shè)計。經(jīng)本文設(shè)計分析得出以下結(jié)論：

1）柔性連接方式結(jié)構(gòu)的整體剛度小于剛性連接方式結(jié)構(gòu)，而兩端柔性連接的結(jié)構(gòu)整體剛度普遍比較低，廊道與主體結(jié)構(gòu)柔性連接周期比采用剛性連接的略有增加。

2）在滑動支座和鉸支座周圍均設(shè)置鋼筋混凝土防跌落擋板，以防連接體在地震作用下發(fā)生掉落，從而引發(fā)次生災(zāi)害。

3）設(shè)置雙層支座，不僅能分散豎向力，降低單個高度，還能提高結(jié)構(gòu)的安全冗余度和抗連續(xù)倒塌能力。

總之，在帶連廊的連體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可以在特定工況下，優(yōu)先考慮選用柔性支座連接設(shè)計。