某辦公樓連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

張 晨，鄭世鈞，王麗梅

（甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州）

1 工程概況

某健康管理中心位于甘肅省蘭州新區(qū)，由南、北辦公樓和報(bào)告廳三個(gè)子項(xiàng)組成。其中，南、北辦公樓平面呈L 形，為對(duì)稱建筑，房屋高度23.45 m。報(bào)告廳平面呈矩形，屋面由三角形折面呈起伏狀構(gòu)成，房屋高度18.45 m。三個(gè)子項(xiàng)通過連廊相互連接，南、北辦公樓與報(bào)告廳分別在二層（標(biāo)高5.100）通過連廊連接，兩個(gè)辦公樓在大屋面（標(biāo)高23.000）通過連廊連接，見圖1。

圖1 整體建筑立面

2 連體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 連體連接方式確定

按連接體與塔樓的相對(duì)剛度分類，連體結(jié)構(gòu)連接方式可分為強(qiáng)連接和弱連接。連接體與塔樓兩端剛接、兩端鉸接均屬于強(qiáng)連接。連接體一端鉸接另一端為滑動(dòng)支座，或者連接體兩端均為滑動(dòng)支座屬于弱連接[1]。

根據(jù)規(guī)范中對(duì)連體結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)定，連接體結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)剛性連接時(shí)，連接體結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)至少伸入主體結(jié)構(gòu)一跨并可靠連接[2]。由于本項(xiàng)目建筑造型和房屋高度的限制，南北樓的連廊和南北樓與報(bào)告廳的連廊均不能伸入主體結(jié)構(gòu)，因此，本項(xiàng)目的連接體與主體結(jié)構(gòu)的連接方式最終選擇弱連接。同時(shí)，考慮到將連接體對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響降到最低，采用兩端均為滑動(dòng)支座的連接方式，連接體對(duì)主體結(jié)構(gòu)僅傳遞支座的滑動(dòng)摩擦力，連接體對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響被很大程度減小。

2.2 連接體鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合連接體支座位置和建筑造型，南、北樓大屋面的連廊和南、北樓與報(bào)告廳的連廊均選用鋼桁架結(jié)構(gòu)型式。

2.2.1 南、北辦公樓鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

南、北辦公樓的跨度約為51.8 m，寬度約為17 m。連接體為建筑屋面造型，采用3 榀平面桁架+平面外次梁+水平支撐的型式，見圖2。平面桁架高3 m，上、下弦桿選用H700×350×16×25，豎腹桿選用HW250×250×9×14，斜腹桿選用HW250×250×9×14。平面外次梁采用與主桁架同高的平面桁架型式，上、下弦桿選用H400×300×10×16，斜腹桿選用HW150×150×7×10。水平支撐選用L160×10。在3 榀平面桁架下弦的兩個(gè)端頭設(shè)置滑動(dòng)支座。

圖2 南、北辦公樓桁架布置

鋼桁架連廊采用3D3S 軟件建立空間分析模型。分析時(shí)主要考慮恒、活、風(fēng)、溫度作用（±30 ℃）以及地震作用（水平和豎向）?？紤]到連接體的功能和經(jīng)濟(jì)性等因素，經(jīng)計(jì)算，構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.86。在恒載下，鋼桁架最大豎向變形為92 mm，在恒+活標(biāo)準(zhǔn)組合的作用下最大豎向變形為103 mm。在恒+活標(biāo)準(zhǔn)組合、單工況風(fēng)荷載作用下，單個(gè)支座最大豎向力分別為壓力549 kN、拉力為134 kN。在單工況風(fēng)荷載、單工況小震作用下，最大水平力分別為4.5 kN、17.3 kN。由于鋼桁架采用滑動(dòng)支座，故主體結(jié)構(gòu)可不考慮鋼桁架支座水平力對(duì)主體結(jié)構(gòu)的影響。

2.2.2 南、北辦公樓與報(bào)告廳鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

南、北兩個(gè)連廊相似，本文以南側(cè)連廊為例。南辦公樓與報(bào)告廳之間的跨度約為12.6 m，寬度約為2.8 m。在二層（標(biāo)高5.100）通過可通行的連廊相連。此處連廊采用鋼桁架型式，鋼桁架呈不規(guī)則形態(tài)，最高處3.8 m，最矮處2.65 m。上、下弦桿選用HW200×200×8×12，連廊兩側(cè)豎腹桿選用HW150×150×7×10，連廊兩側(cè)斜腹桿選用HW150×150×7×10。連廊底面樓板厚度130 mm，頂面和底面通過次梁和水平支撐撐構(gòu)成平面內(nèi)的水平桁架體系，保證連廊平面內(nèi)的穩(wěn)定性[3]。頂面、底面的次梁選用HW150×150×7×10，水平支撐選用L125×8。在桁架下弦的兩個(gè)端頭設(shè)置滑動(dòng)支座。

鋼桁架連廊采用3D3S 軟件建立空間分析模型。分析時(shí)主要考慮恒、活、風(fēng)、溫度作用（±30 ℃）以及地震作用（水平和豎向）。經(jīng)計(jì)算，構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.61。鋼桁架在恒+活標(biāo)準(zhǔn)組合的作用下最大豎向變形為3 mm。在恒+活標(biāo)準(zhǔn)組合、單工況風(fēng)荷載作用下，單個(gè)支座最大豎向力分別為壓力126 kN、拉力為5.9 kN。在單工況風(fēng)荷載、單工況小震作用下，最大水平力分別為2.3 kN、4.8 kN。

3 支座設(shè)計(jì)

3.1 主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的位移計(jì)算

根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)連體結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)采用滑動(dòng)連接時(shí)，支座滑移量應(yīng)能滿足兩個(gè)方向在罕遇地震作用下的位移要求。采用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件YJK 對(duì)兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了罕遇地震作用下的動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析。時(shí)程波采用Big Bear-02_NO_1905，Tg(0.50)波、Irpinia, Italy-02_NO_303，Tg (0.50) 波及人工波ArtWave-RH1TG045，Tg(0.45)。計(jì)算結(jié)果顯示，南、北辦公樓的最大頂點(diǎn)位移164 mm，故滑動(dòng)支座位移限值采用±170 mm 能滿足規(guī)范要求。

3.2 支座選擇

連接體與主體結(jié)構(gòu)之間采用滑動(dòng)支座相連，支座的水平剛度非常小。通常滑動(dòng)支座的靜摩擦系數(shù)不大于0.03，為了保證連接體的正常使用，其在風(fēng)荷載作用下，不應(yīng)有過大變形，所以支座應(yīng)當(dāng)具有一定的初始剛度，故設(shè)計(jì)時(shí)要求滑動(dòng)支座的靜摩擦系數(shù)不大于0.1。計(jì)算時(shí)，連接體的滑動(dòng)支座剛度用彈性連接來模擬，考慮支座剛度從100 KN/m～10 000 KN/m 包絡(luò)設(shè)計(jì)，以保證連接體的可靠性。

考慮到滑動(dòng)支座的承載力要求，位移變形能力和耐久性等因素，綜合對(duì)比下，本工程最終采用了具有一定初始剛度的摩擦擺支座，支座示意如圖3 所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，支座的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

圖3 支座示意

4 屈曲分析

南、北辦公樓與報(bào)告廳二層間連接的鋼桁架，其未設(shè)置垂直支撐，為了研究桁架的平面外穩(wěn)定問題，做屈曲分析。屈曲分析是通過求解桿件的穩(wěn)定性方程，確定在不同的荷載作用下，桿件的穩(wěn)定極限。桿件的穩(wěn)定性方程通常采用歐拉方程或者能量法等數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建立。在求解穩(wěn)定性方程時(shí)，需要考慮桿件的幾何形狀、材料特性以及外部載荷等因素的影響。通過分析穩(wěn)定性方程的解，可以確定桿件的臨界載荷和截面的臨界應(yīng)力，從而保證桿件在使用過程中的安全性。本工程采用3D3S 計(jì)算軟件，對(duì)桁架施加豎向荷載，采用1.0 恒+1.0 活組合進(jìn)行分析。根據(jù)規(guī)范要求，取鋼桁架跨度的1/300 即43 mm 作為初始缺陷，并且根據(jù)一致模態(tài)對(duì)桁架施加初始缺陷，然后進(jìn)行大位移的幾何非線性穩(wěn)定分析[4]。

桁架間的橫桿和縱向弦桿間按剛接模擬，其余直徑較小的斜腹桿均按鉸接考慮。本工程通過分析可以得到桁架結(jié)構(gòu)的線性整體穩(wěn)定因子，表2 給出了桁架結(jié)構(gòu)的前10 個(gè)穩(wěn)定因子。且由圖4 可知，帶缺陷的桁架考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性的整體穩(wěn)定系數(shù)為16.5。對(duì)于該桁架結(jié)構(gòu)，不加缺陷的極限承載力系數(shù)為38.4，按規(guī)范加上初始缺陷后降為16.5。因此，該結(jié)構(gòu)是缺陷不敏感型的。該結(jié)構(gòu)的極限承載力系數(shù)為16.5 大于規(guī)范規(guī)定的4.2[5]。由此可知該桁架結(jié)構(gòu)受力比較合理，承載力較高。

表2 桁架結(jié)構(gòu)的前10 個(gè)穩(wěn)定因子

圖4 帶缺陷結(jié)構(gòu)幾何非線性分析的位移

5 連廊樓板的豎向振動(dòng)舒適度分析

本工程利用MIDAS GEN 結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件對(duì)于報(bào)告廳相連接的兩個(gè)連廊做其樓板的豎向振動(dòng)舒適度分析。首先對(duì)桁架結(jié)構(gòu)做特征值分析，計(jì)算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的第一階頻率為3.69 Hz，大于規(guī)范規(guī)定的3 Hz 的要求。然后采用MIDAS 軟件中的行走一步的時(shí)程荷載函數(shù)，如圖5 所示，定義行走路徑，將荷載施加于該路徑上的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，如圖6 所示。計(jì)算結(jié)果顯示，如圖7 所示，最大豎向振動(dòng)加速度為0.032 m/s2，滿足規(guī)范規(guī)定的應(yīng)小于0.15 m/s2的限值要求。

圖5 時(shí)程荷載函數(shù)

圖6 時(shí)程荷載施加路徑

圖7 時(shí)程圖形

6 結(jié)論

本工程三個(gè)子項(xiàng)間通過連接體兩兩相連，考慮到連接體支座位置，建筑造型，且避免連體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜傳力等因素，采用柔性連接將連接體與主體結(jié)構(gòu)相連接。連接體采用鋼桁架型式，桁架和主體結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立設(shè)計(jì)分析。本文通過介紹三個(gè)鋼桁架與主體結(jié)構(gòu)的柔性連接，得出以下結(jié)論：

（1）連廊的自重大于風(fēng)吸力，支座設(shè)計(jì)時(shí)可以不用考慮拉力的影響。

（2）為保證連廊的正常使用，連廊的滑動(dòng)支座應(yīng)具有一定的初始剛度。

（3）對(duì)主體結(jié)構(gòu)做罕遇地震下的位移計(jì)算，得出滑移量為±170 mm，支座選用能承受較大豎向力和較大水平滑動(dòng)位移的摩擦擺支座。

（4）報(bào)告廳兩側(cè)的可通行連廊通過屈曲分析表明，帶缺陷的連廊考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性的整體穩(wěn)定系數(shù)為16.5，大于規(guī)范規(guī)定的4.2。該桁架結(jié)構(gòu)受力比較合理，承載力較高。

（5）報(bào)告廳兩側(cè)的可通行連廊樓板厚度130 mm，滿足規(guī)范規(guī)定的樓蓋豎向振動(dòng)舒適度的要求。