大跨鋼連廊結構設計

孫欽學 李光明 姚永濤

【摘要】本文主要介紹濟南某商務區項目過街鋼結構連廊的結構分析與設計，結構采用midas gen和midas FEA軟件進行計算分析。對在恒載、樓面活載、溫度作用、地震作用、風荷載作用下的連廊結構桿件及其連接的強度及變形進行驗算。

【關鍵詞】鋼結構連廊;平面桁架;溫度作用

1、概述

該連廊跨度36m，高度15.65m，共三層，連廊底位于2層，連廊屋面位于5層，整體效果圖如圖1，結構分別由二層與三層樓面處弦桿及之間設置的腹桿組成單層平面鋼桁架和四層與連廊屋面弦桿及之間腹桿組成單層平面鋼桁架作為主受力構件，形成上下兩層獨立受力的單層桁架結構體系，詳圖2所示。連廊兩側平面桁架間距15m，桁架外側懸挑0.5m至3.5m，以滿足連廊造型要求，單層桁架受力體系詳國3所示，樓面采用鋼筋桁架樓承板。根據結構的受力特點，連廊桁架底部一端設置鉸支座，一端設置滑動支座，桁架頂部兩端均設置限制桁架平面外移動的限位支座，保證桁架的平面外穩定性。

2、荷載作用、特點及荷載效應分析

2.1風荷載

連廊位于兩棟建筑之間，風荷載較大，且在垂直于連廊方向，風荷載受荷面積大，應對垂直于連廊方向的水平風荷載作用進行計算和分析。

2.2地震作用

連廊跨度36m，為大跨結構，需進行水平地震作用和豎向地震作用[1]的驗算。同時，根據連廊所搭兩側建筑，在地震作用的相對位移差，確定滑動支座的滑動值。樓板厚度150mm，且樓板在各層處，均較完整，在計算地震作用時，考慮樓板平面內剛度，增加了連廊結構水平方向的剛度，增加連廊兩側平面桁架，在桁架平面外的穩定性。為滿足樓板與鋼結構部分的連接，在設計過程中，要求鋼梁與樓板的栓釘連接，滿足《鋼結構設計標準》[2]對完全抗剪組合梁的要求。經計算，在考慮樓板平面內剛度后，連廊結構水平方向最大自振周期1.231s，豎向最大自振周期1.832s，樓板較有效地增加了結構水平向剛度。根據大震作用下，兩側建筑的相對位移差，確定滑動支座最大滑動為200mm。

2.3溫度作用

連廊長度較長，主受力構件為鋼材，易受溫度變化的影響，需對溫差作用下，連廊的變形做相應的分析，以為結構提供設縫依據，以減少構件內的溫度應力和樓板裂縫。結構合攏溫度要求為15℃±5℃，升溫30℃，降溫30℃，在考慮升溫作用的標準組合作用下，下端滑動支座最大位移約20mm。上端限位支座，最大位移約14mm。位移量均在下端滑動支座和上端限位支座的允許值范圍內。

2.4各荷載工況下的計算

在恒載、樓面活載、溫度作用、地震作用、風荷載作用下[3]，采用midas gen對連廊結構進行計算分析，得出連廊平面桁架應力比，弦桿最大應力比0.463，腹桿最大強度應力比為0.587，桁架桿件應力比均小于1.0，滿足桁架

3、節點分析

連廊由兩榀主桁架，和桁架之間梁板及兩桁架外側的懸挑部分組成，為平衡桁架外側懸挑部分的彎矩作用，桁架之間搭在桁架上下弦桿節點位置的鋼梁與弦桿剛接，（搭在弦桿上的鋼梁與弦桿鉸接）。致使桁架節點既受桁架自身所受平面內彎剪作用在節點位置的產生的應力，還要承擔鋼梁傳來的桁架平面外的彎矩作用，受力較為復雜，現對受力較大的支座和跨中節點在風荷載、地震作用，溫差作用等組合工況下的受力狀態做出分析。現采用midas FEA軟件對較典型的跨中位置節點進行分析，圖4為跨中位置節點在最不利荷載作用下的應力云圖，僅局部交接位置有少于應力集中，其他位置最大為152.9N/mm2，小于Q345的材料強度。

4、支座

連廊連接兩個單體建筑，如果連廊與兩側主體均固結或鉸接，會形成連體建筑，形成復雜高層建筑，連廊及相連兩側的主體受力復雜，設計難度較大，且會增加建設成本，通過在連廊一端設置鉸支座，一端設置滑動支座，使連廊與一側主體脫開，減少連廊對兩側主體的影響，簡化了結構受力體系，減少了建設成本。

支座設置在每榀連廊桁架四個角部，桁架下部一端設置鉸接支座，詳圖5中支座類型一;另一端設置順桁架方向的單向滑動支座，詳圖5中支座類型二;桁架上部兩端均設置僅限定垂直桁架方向的限位支座，詳圖6中支座類型三;以保證桁架平面外的穩定，同時與下部支座一起承擔垂直于桁架方向的水平地震力和風荷載作用。圖3中支座1、2采用支座類型一，為鉸支座[4]，支座3、4采用支座類型二，為單向滑動支座，支座5、6、7、8采用支座類型三，為桁架上部限位支座。為保證連廊結構整體能夠抵抗平面外的水平方向的風荷載和地震作用，該處連廊支座承載力不得低于表1中各支座的在相應方向反力值。如桁架下部支座，抗剪承載力不得低于1500KN，豎向抗壓承載力不得低于6000KN;而圖3所示為上部限位支座，四個上部支座均允許順桁架方向的滑動，同時允許桁架在豎向發生一定的變形（變形范圍為），以減少較大的桁架平面內內力對限位支座的影響，在垂直桁架方向，支座5、6、7、8號支座應能承受風荷載和地震作用下在該方向的反力，桁架上部限位支座在垂直桁架平面方向的承載力不得低于1500KN。

結論：

（1）連體結構屬于復雜結構類型，中間連接體，采用一端鉸接，另一端滑動的措施，較好地減小兩側建筑的受力復雜程度，使兩側建筑可以分別建模計算，簡化了結構的計算分析。

（2）在連廊樓板較完整，且樓板與鋼梁采取了有效連接的情況下，可以考慮樓板在平面內的剛度，樓板為連廊整體提供較大的水平剛度，增加了連廊桁架平面外的穩定性，并減小了結構設計的復雜程度。

（3）因造型要求，連廊平面桁架平面外與樓面鋼梁剛接，承載平面外彎矩時，桁架受力較為復雜，但經midas FEA軟件分析，典型節點處，鋼材應力均小于所采用鋼材的強度設計值。

（4）每榀桁架支座應能承載，連廊在各荷載組合工況下的最不利組合值。且在支座位移釋放方向，支座的允許滑動值，不應小于結構在地震作用，溫度作用等與恒、活荷載的準永久組合作用下的變形量，從而達到計算模型中對各支座特性假定。

參考文獻：

[1]GB50011-2010建筑抗震設計規范[S].

[2]GB50017-2017鋼結構設計標準[S].

[3]GB50009-2012建筑結構荷載規范[S].

[4] GB/T391-2009公路橋梁盆式支座[S].

作者簡介：

孫欽學，男，漢，碩士，中級工程師，結構設計。