某連體高層結(jié)構(gòu)中的鋼桁架設(shè)計(jì)

張志新

(山西五建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概況

本工程位于晉城市澤州縣金村鎮(zhèn)棗園村,項(xiàng)目建筑用地南靠規(guī)劃太岳路西臨,西側(cè)為規(guī)劃中的0.05 km2的大片城市綠地,南側(cè)面向花園頭水系公園。本工程為一棟商業(yè)辦公樓，由2層地下室，21層地上組成。地下2層地下室，地上部分1層、2層為商業(yè)，層高4.2 m，以上為辦公樓，層高均為4.8 m，主樓總高度99.75 m，結(jié)構(gòu)體系為剪力墻結(jié)構(gòu)，屋頂設(shè)鋼結(jié)構(gòu)連廊,基礎(chǔ)形式為樁筏基礎(chǔ)。該工程的抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，設(shè)計(jì)地震分組第三組，場(chǎng)地類(lèi)別Ⅱ類(lèi)，特征周期0.45 s，抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)(結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0),三維模型見(jiàn)圖1。

2 主體結(jié)構(gòu)體系及簡(jiǎn)要介紹

結(jié)構(gòu)雙塔均為剪力墻結(jié)構(gòu)，在屋面21層設(shè)鋼桁架雙連廊，作為兩單體的屋面水平交通樞紐，該桁架需要傳遞兩塔樓之間的水平剪力，協(xié)調(diào)兩塔樓的變形，因此為關(guān)鍵構(gòu)件，需要進(jìn)行詳細(xì)的分析，并采取加強(qiáng)措施，確保安全。桁架跨度為20.4 m，寬度為5.25 m，高度同21層結(jié)構(gòu)層高度4.8 m，兩側(cè)塔體剪力墻結(jié)構(gòu)抗震等級(jí)為三級(jí)，但考慮連廊層為加強(qiáng)層，因此連廊層及相鄰樓層豎向構(gòu)件和連廊抗震等級(jí)在構(gòu)造上相應(yīng)提高為二級(jí)[1-2]。

本工程存在三個(gè)超限內(nèi)容：1)偶然偏心規(guī)定水平力作用下位移比最大1.26，大于1.2，屬于扭轉(zhuǎn)不規(guī)則；2)建筑頂層 設(shè)鋼結(jié)構(gòu)桁架連廊屬于高位連體結(jié)構(gòu);3)20層與21層的承載力之比為0.7(Y向)，受剪承載力變化大于80%，因此綜合判定本工程為超限高層建筑。

主體結(jié)構(gòu)的整體計(jì)算分別采用YJK，Midas/Building 兩個(gè)不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件，對(duì)整體計(jì)算結(jié)果中的振動(dòng)模態(tài)、周期、構(gòu)件內(nèi)力等參數(shù)做了細(xì)致的對(duì)比分析，衡量結(jié)構(gòu)整體計(jì)算的合理性及關(guān)鍵構(gòu)件計(jì)算的準(zhǔn)確性。

針對(duì)超限情況，將底部加強(qiáng)區(qū)的1層～3層的豎向構(gòu)件、21層連廊層及相鄰樓層的豎向構(gòu)件、整體鋼桁架連廊定義為抗震的關(guān)鍵構(gòu)件。采用盈建科進(jìn)行了中震、大震下等效彈性分析、罕遇地震下的彈塑性時(shí)程分析，保證關(guān)鍵構(gòu)件及耗能構(gòu)件滿足中震及大震下的性能目標(biāo)，并且針對(duì)桁架連廊，進(jìn)行了大震下動(dòng)力彈塑性豎向時(shí)程分析，確保豎向振動(dòng)幅值滿足要求。

3 鋼桁架的設(shè)計(jì)目標(biāo)及分析

根據(jù)建筑功能及平面造型要求，鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)如下：中庭部分跨度20 m，采用鋼桁架結(jié)構(gòu)[3]，與兩側(cè)塔采用強(qiáng)連接(兩端剛接)，自重輕，連接可靠。為了保證連接的可靠性，兩側(cè)支框架柱設(shè)置為型鋼混凝土框架柱，鋼桁架上下弦與型鋼混凝土框架柱內(nèi)預(yù)留型鋼直接連接，鋼梁延伸進(jìn)主樓一跨，并采用型鋼混凝土梁。

鋼結(jié)構(gòu)桁架在設(shè)計(jì)之初考慮一端鉸接，一端滑動(dòng)的柔性連接，該種連接體一般可以減少結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，并避免2個(gè)塔樓偶聯(lián)作用給結(jié)構(gòu)整體帶來(lái)的不利影響，此種連接的滑動(dòng)支座是設(shè)計(jì)重點(diǎn)，需要滿足罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)變形，因此要在塔樓與支座間留出一條防震縫，經(jīng)過(guò)計(jì)算此時(shí)需要留出300 mm的防震縫。但經(jīng)過(guò)對(duì)兩個(gè)塔樓的分別計(jì)算，兩側(cè)主塔體結(jié)構(gòu)剛度相近，動(dòng)力特性基本相似，此時(shí)采用強(qiáng)連接形式更加能保證高空桁架的可靠性，及兩側(cè)雙塔的協(xié)調(diào)性和安全性，此時(shí)設(shè)計(jì)的工作重點(diǎn)就變?yōu)槿绾伪ＷC鋼結(jié)構(gòu)與兩側(cè)塔樓共同工作及該大跨度鋼結(jié)構(gòu)桁架計(jì)算分析，因此針對(duì)上述重點(diǎn)，桁架采取相應(yīng)的措施并考慮了如下計(jì)算內(nèi)容：

1)鋼桁架作為結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，鋼結(jié)構(gòu)連廊部分抗震設(shè)防性能目標(biāo)為C級(jí)。

2)采用YJK及Midas軟件進(jìn)行小震下水平地震作用整體內(nèi)力和位移分析，并對(duì)比，保持小震彈性。

3)進(jìn)行中震下水平地震作用整體內(nèi)力和位移分析，確保中震彈性。

4)進(jìn)行罕遇地震作用鋼桁架及兩側(cè)連接的型鋼混凝土框架柱整體內(nèi)力計(jì)算，確保滿足大震不屈服；并考慮桁架在豎向地震的影響，確保大震最大豎向位移不會(huì)過(guò)大。

5)鋼桁架與主體結(jié)構(gòu)連接計(jì)算分析及構(gòu)造。

6)鋼桁架舒適度驗(yàn)算。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)桁架布置方案及參數(shù)

鋼桁架采用焊接工字鋼組成的普通桁架，豎向水平均設(shè)有直腹桿及斜腹桿，同時(shí)在桁架中心設(shè)斜腹桿增加整體剛度，桁架桿件與主體的型鋼混凝土柱鉸接，桁架整體與兩側(cè)形成剛接體系。布置示意圖見(jiàn)圖2，桿件截面見(jiàn)表1。

表1 鋼結(jié)構(gòu)桁架桿件截面表

3.2 鋼結(jié)構(gòu)連廊小震下水平地震作用分析

鋼結(jié)構(gòu)連廊小震下設(shè)計(jì)取抗震等級(jí)為二級(jí),阻尼比取0.05，應(yīng)力比計(jì)算只考慮水平地震作用參與內(nèi)力組合。小震下應(yīng)力未超設(shè)計(jì)允許值，可滿足使用要求。

3.3 鋼結(jié)構(gòu)連廊中震下地震作用分析

為保證連廊及兩側(cè)與其連接的框架柱在中震下正常使用，連廊性能化設(shè)計(jì)時(shí)取中震彈性計(jì)算，阻尼比取0.05，不考慮與抗震時(shí)內(nèi)力調(diào)整系數(shù)，材料強(qiáng)度取設(shè)計(jì)值，采用YJK計(jì)算，中震地震內(nèi)力約是小震時(shí)的2.2倍，此時(shí)經(jīng)過(guò)計(jì)算支撐桁架上弦桿最大應(yīng)力比0.47，下弦桿最大應(yīng)力比0.52，均出現(xiàn)在支座位置，其他部分應(yīng)力均較小，滿足中震彈性性能要求。 由此看出完全能滿足中震彈性的要求[4]。

3.4 鋼結(jié)構(gòu)連廊大震下地震作用分析

為保證連廊及兩側(cè)與其連接的框架柱在大震下不屈服，此時(shí)計(jì)算參數(shù)結(jié)構(gòu)阻尼比為0.06，采用彈塑性時(shí)程分析，選用三組地震波計(jì)算(兩組天然，一組人工)，此時(shí)桁架桿件最大應(yīng)力比1.0，同時(shí)從損傷圖(如圖3所示)中可看出，大震時(shí)桁架基本保持完好，無(wú)中度以上的損壞，能滿足大震不屈服的性能要求[5-6]。

3.5 鋼結(jié)構(gòu)連廊大震下豎向地震作用分析

為保證連廊在大震下有足夠的豎向剛度，補(bǔ)充計(jì)算了對(duì)桁架及連接桁架的型鋼混凝土框架柱進(jìn)行的豎向地震的計(jì)算[7]。分析時(shí)結(jié)構(gòu)豎向地震影響系數(shù)最大值可按水平地震影響系數(shù)最大值的65%采用，地震分組按第一組。圖4為選用地震波1055地震作用下桁架典型節(jié)點(diǎn)豎向地震下節(jié)點(diǎn)相對(duì)位移時(shí)程響應(yīng)，其中最大位移18.92 mm。

3.6 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析

選3個(gè)典型鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元分析。鋼材均采用 Q345B。ND1位于桁架與雙塔連接處，ND2，ND3位于中跨桁架上。

3.6.1 ND1節(jié)點(diǎn)分析

ND1節(jié)點(diǎn)有限元模型見(jiàn)圖5。

1)中震彈性工況組合。

節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布圖如圖6所示。鋼桁架桁架下腹桿下翼緣最大應(yīng)力為65 MPa，均未超過(guò)限值要求；混凝土節(jié)點(diǎn)應(yīng)力大部分不超屈服限值(20.1 MPa)，僅在桁架下斜腹桿下翼緣與混凝土連接處角出現(xiàn)局部壓應(yīng)力超限，但整體保持完好。

2)大震不屈服工況組合。

節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布圖如圖7所示。鋼桁架上弦桿上翼緣最大應(yīng)力為127 MPa，均未超過(guò)限值要求；混凝土節(jié)點(diǎn)應(yīng)力大部分不超屈服限值，僅在桁架下腹桿下翼緣與混凝土連接處出現(xiàn)局部壓應(yīng)力超限，但整體保持完好。

3.6.2 ND2節(jié)點(diǎn)分析

1)中震彈性工況組合。節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布圖如圖8所示。鋼桁架桁架下腹桿下翼緣最大應(yīng)力為266 MPa，均未超過(guò)限值。ND1中震最大應(yīng)力位置見(jiàn)圖9。

2)大震不屈服工況組合。節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布圖如圖10所示。鋼桁架桁架下腹桿下翼緣最大應(yīng)力為273 MPa，均未超過(guò)限值。ND2中震最大應(yīng)力位置見(jiàn)圖11。

3.6.3 ND3節(jié)點(diǎn)分析

1)中震彈性工況組合。節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布圖如圖12所示。鋼桁架桁架下腹桿下翼緣最大應(yīng)力為153 MPa，均未超過(guò)限值。ND3中震最大應(yīng)力位置見(jiàn)圖13。

2)大震不屈服工況組合。節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布圖如圖14所示。鋼桁架桁架下腹桿下翼緣最大應(yīng)力為180 MPa，均未超過(guò)限值。ND2大震最大應(yīng)力位置見(jiàn)圖15。

取三個(gè)典型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有限元建模分析，考慮了中、大震后計(jì)算結(jié)果表明：1)中震彈性組合作用下，鋼桁架節(jié)點(diǎn)應(yīng)力都小于屈服應(yīng)力，僅桁架與混凝土連接處的混凝土個(gè)別單元出現(xiàn)壓應(yīng)力超限，該比例不少于網(wǎng)格單元的5%，整體均滿足限值。2)大震組合對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力起控制作用。結(jié)果顯示鋼桁架節(jié)點(diǎn)應(yīng)力都小于屈服應(yīng)力，僅桁架與混凝土連接處的混凝土個(gè)別單元出現(xiàn)壓應(yīng)力超限，該比例不少于網(wǎng)格單元的10%,整體均滿足限值。3)計(jì)算分析表明支撐桁架節(jié)點(diǎn)滿足預(yù)設(shè)大震下不屈服的性能目標(biāo)要求。

3.7 舒適度驗(yàn)算

選取典型的鋼桁架進(jìn)行舒適度分析。通過(guò)模態(tài)分析顯示，最不利位置處考慮6個(gè)人在樓蓋上步行，頻率為2.4 Hz,時(shí)程函數(shù)曲線為連續(xù)步行曲線，桁架自振頻率為5.3 Hz,滿足豎向振動(dòng)加速度峰值限值為0.15 m/s2，由軟件計(jì)算得到該結(jié)構(gòu)加速度最大值為0.10 m/s2<0.15 m/s2，滿足要求。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本工程為高位連體結(jié)構(gòu)，屬于超限高層建筑，針對(duì)超限內(nèi)容，對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件及連接體、兩側(cè)樓板等采取加強(qiáng)措施。

2)通過(guò)對(duì)大跨度連體結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)連接體的小震、中震、大震的應(yīng)力分析、大震彈塑性分析、桁架舒適度分析的全面分析，結(jié)果表明，各項(xiàng)指標(biāo)均能滿足規(guī)范及實(shí)際正常使用要求，小震及中震保證了所有構(gòu)件均在彈性階段，正常使用時(shí)舒適度滿足要求；大震時(shí)保證桁架不屈服、桁架水平及豎向有足夠的剛度，鋼結(jié)構(gòu)桁架完全能達(dá)到設(shè)定的性能目標(biāo)。