雙塔高層狹縫處高空鋼結構連廊設計

鄭濟坤

(廈門合立道工程設計集團股份有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

隨著建筑技術的不斷提升，雙塔高層間采用連接體連接的建筑形式日益常見。伴隨著此類建筑形式的發展，分析此類結構的受力特點并采用合理的設計手段日益重要，尤其在我國東南一帶區域。首先，東南沿海風災頻繁且烈度大，雙塔高層的狹縫區域又極易出現風速突然增大的情況，需深入分析狹縫效應對結構風荷載的影響[1]；其次，狹縫處的高空連接體易在地震作用下受損，如何確保連接體結構滿足“三水準”抗震設防要求亦是值得設計人員深入思考；最后，需運用多道設防思想，保證連接體與主體結構的連接安全可靠。

本研究擬結合某實際工程，對高空連廊常見的風荷載狹縫效應、抗震設防設計以及與主體的連接節點展開詳細的分析，為雙塔高層狹縫處高空連廊的結構設計提供參考。

1 工程概況

某工程位于泉州市豐澤區，為辦公建筑，整體效果圖如圖1所示。地塊東側兩棟塔樓為雙塔高層，高度分別為100m和132m，狹縫寬度約17m；狹縫處通過5座連廊連接，相鄰連廊豎向間距為15m。

圖1 雙塔高層地塊效果圖

該工程地處泉州市郊，抗震設防類別為丙類；抗震設防烈度為7度(0.15g)，設計地震分組為第三組；場地類別：III類；50年一遇的基本風壓：0.70kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

2 風荷載狹縫效應分析

2.1 數值風洞模型

通過流體有限元軟件建立數值風洞模型，主體模型如圖2所示。計算域大小為1400m×1000m×500m(高)，阻塞率約2.6%。連廊采用高度2m的管型結構建模，以便充分了解連廊各部位風壓分布情況[2]。

圖2 數值風洞的主體模型

輸入風向采用正對雙塔狹縫，與高空連廊垂直的正反兩個方向。經計算對比，由于樓棟遮擋原因，正向風向(圖2箭頭方向)產生的風壓大于反向。因此，下述分析均采用正向風向的數據結果。

2.2 狹縫處風速及風壓特點

圖3為計算域中高度為50m處的X向風速橫截面，計算時假定該高度處入口風速為14m/s。

從圖3中可以看出，狹縫前部風速減小至12m/s，而狹縫后部風速明顯加大，峰值達18m/s，為來流方向風速的1.5倍。

圖3 狹縫處的風速變化圖

將管型連廊模型表面劃分為迎風面、背風面、上下表面等4面。根據定義，建筑體型系數即剛性模型表面壓強/來流方向風力壓強，據此處理結果數據，得到圖4、圖5、圖6分別為迎風面、背風面、上下表面的體型系數。

從圖4可以看出，連廊迎風面的體型系數為0.8，背風面系數為-1.3；上表面體型系數為-1.6，下表面系數為-2.0。對比規范中矩形建筑物的體型系數，狹縫處連廊表面該系數顯著增大。為了分析狹縫效應對連廊表面風壓的影響，定義狹縫影響系數α。各表面體型系數及狹縫影響系數如表1所示。

圖4 連廊迎風面體型系數

圖5 連廊背風面體型系數

圖6 上表面(左圖)、下表面(右圖)體型系數

從表1可以看出，狹縫對迎風面風壓無影響，而狹縫處背風面、上下表面負壓約為規范值的2.5倍。據此，得出該雙塔高層的風壓狹縫影響系數為2.5，影響面為狹縫處背風面及上下表面。

表1 連廊各表面風壓的狹縫影響系數

3 高空連廊抗震設防設計

3.1 結構形式

該工程連廊兩端建筑體型、自振周期及振型差異較大，同時狹縫寬度不大，故采用兩端懸挑的結構形式，如圖7所示。懸挑形式能避免地震作用下兩端主體不協調變形帶來的破壞，同時使連接節點的處理更加簡潔。

圖7 懸挑連廊結構平面圖

同時，考慮到高空大跨度結構的重要性，增加豎向斜撐作為豎向荷載下的第二道防線，如圖9所示。整體懸挑形式采用工字型懸挑梁+鋼骨內伸段+斜撐桿組合形式。豎向斜撐增大了豎向剛度，有效減少了豎向地震作用下的端部位移；同時，減少了單一懸挑結構的豎向風振效應，有利于抗風。

圖8 連廊結構立面圖

根據規范要求，主樓連廊懸挑7.0m，根據規范采用振型分解反應譜法計算大跨、大懸挑結構的豎向地震作用[3]。反應譜采用規范標準反應譜曲線，豎向地震影響系數最大值取為水平地震影響系數最大值的65%，阻尼比取0.05，設計地震分組取第三組，采用3D3S進行計算分析，豎向振型取30個。

為了斜撐能起到第二道防線的作用，計算過程中采用帶斜撐的鉸接模型與單懸挑的剛接模型包絡設計，兩種模型下內力與位移均滿足規范要求。表2為連廊構件表。

表2 連廊鋼構件表

3.2 抗震縫處理方式

懸挑連廊中部的抗震縫的設置需保證各懸挑部分能自由變形，且連廊鋼結構不發生碰撞損壞。連廊最高點為85m，按規范計算縫寬為250mm[3]。本文計算出最高點處(17F)不同地震工況下兩主體的相對位移，如表3所示。

表3 不同地震作用下各主體的相對合位移

由表3可以看出，取縫寬為250mm，能保證小震及中震作用下結構不發生碰撞；同時利用建筑樓層的高差，在高度上錯開懸挑，采用附屬構件(如臺階)解決高差，如圖8所示，大震作用下僅局部臺階發生碰撞損壞，保證鋼連廊主體結構不發生破壞。地面變形縫可選用能夠適應較大縫寬的樓面嵌平型成品蓋縫板。

4 懸挑端連接節點分析

4.1 懸挑剛接節點形式

該工程懸挑剛接節點，采用型鋼混凝土柱結合內伸鋼骨的形式，便于剛接節點彎矩的有效傳遞。本文采用有限元分析的方法對該節點的內力分布展開探討。圖9為型鋼混凝土柱結合內伸鋼骨的基本形式。

圖9 型鋼混凝土柱結合內伸鋼骨節點

采用梁端力加載的方式，以豎向恒活與風荷載組合下的內力作為加載組合，如表4所示。模型約束條件為鋼梁前端部自由，其余采用固定約束[4]。

表4 鋼梁根部內力組合

混凝土為C30混凝土，鋼材采用Q345B。混凝土本構模型采用總應變裂縫模型；受拉本構關系采用Hordijk模型，抗拉強度2.01MPa；無約束混凝土受壓本構關系采用Thorenfeldt模型，抗壓強度20.1MPa。鋼材采用Von-Mises雙線型本構模型，初始屈服強度345MPa[5]。

4.2 應力應變分布情況

圖10為型鋼的Mises應力分布圖，可以看出，在鋼梁與混凝土柱的交接處出現了最大應力為188MPa，未達到鋼材的屈服強度；型鋼柱中應力不大，較大應力出現在與鋼梁翼緣相交的加勁肋，為50MPa；內伸段鋼骨應力很小，約為10MPa左右。

圖10 型鋼的Mises應力分布圖

圖11為鋼梁交接處混凝土的主應力分布圖，可以看到交接邊緣由于應力集中，主拉應力超過了混凝土的抗拉強度，主壓應力最大為16MPa。

圖11 混凝土主拉應力(左)、主壓應力(右)圖

為了分析混凝土達到極限拉應變的區域，提取極限拉應變等值面圖，取混凝土極限拉應變為0.0001，如圖12所示。可以看出，從柱中型鋼翼緣到混凝土外表面的區域，靠近鋼梁上翼緣處混凝土大部分達到了極限拉應變，此區域混凝土出現開裂；同時，該處柱型鋼加勁肋出現較大應力，以傳遞鋼梁端部的彎矩及剪力。

圖12 混凝土極限拉應變等值面圖

綜之，分析結果可以看出，采用型鋼混凝土柱結合內伸鋼骨的節點形式，在荷載作用下，鋼材未出現屈服，混凝土未發生壓碎破壞，能滿足該組合工況下的受力要求；同時，在鋼梁與柱交接處混凝土開裂的情況下，該形式節點能有效保證鋼梁端部彎矩及剪力傳遞。

5 結論

(1)通過數值風洞的模擬，得到雙塔高層狹縫處連廊的風壓狹縫影響系數為2.5，影響面為狹縫處背風面及上下表面，同時，狹縫對迎風面風壓無影響。此影響系數值可作為類似工程初步設計的參考值，并應考慮同時進行風洞試驗，以得到更詳細準確的設計依據。

(2)連廊兩端建筑體型、自振周期及振型差異較大時，宜采用懸挑形式連廊，減少結構的復雜程度。懸挑形式采用工字型懸挑梁+鋼骨內伸段+斜撐桿組合形式，能有效減少結構在狹縫處風荷載下產生的風振響應及豎向地震下的損傷。

(3)抗震縫的取值滿足建筑抗震設計規范的要求。通過計算不同地震工況下兩主體的相對位移，同時采取抗震縫兩側形成高低差的處理方式，驗證了該縫寬取值能滿足小震、中震作用下不碰撞，大震作用時僅次要構件發生碰撞破壞的要求。

(4)懸挑剛接節點采用型鋼混凝土柱結合內伸鋼骨的形式，能滿足組合工況下的受力要求。同時，在鋼梁與柱交接處混凝土開裂的情況下，該形式的節點能有效地保證鋼梁端部彎矩及剪力的傳遞。

[1] 張敏,樓文娟,何鴿俊,等. 群體高層建筑風荷載干擾效應的數值研究[J]. 工程力學,2008(1):179-185.

[2] 傅小堅. 雙塔高層建筑風荷載干擾效應的數值模擬研究[D].杭州：浙江大學,2007.

[3] GB50011-2010 建筑抗震設計規范(2016版)[S]. 2016.

[4] 崔田田. 鋼梁-型鋼混凝土柱節點的力學性能研究及有限元分析[D].北京：中國石油大學,2011.

[5] 藍聲寧. 鋼梁-型鋼混凝土柱節點受力性能的有限元分析[D].西安：西安科技大學,2004.