鋼結構連廊結構設計探析
——以濱海新城智慧城市運營管理中心工程為例

張璘琳

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來，隨著建筑行業迅速發展，施工技術不斷提高。建筑形式呈現越來越多樣化及復雜化發展趨勢，大跨度空中連廊越來越多被運用于現代建筑。在大跨度鋼結構連廊設計中，最常用的桁架結構形式主要有普通桁架結構體系和空腹桁架結構體系，二者在工作機理、力學特點及用鋼量方面各不相同。基此，本文以濱海新城智慧城市運營管理中心鋼結構連廊結構設計為例，比較分析普通桁架和空腹桁架的工作機理和力學特點以及經濟性指標，尤其著重介紹該鋼結構連廊中震設計過程，分析連廊相關范圍樓板的應力分布特點及其性能化設計和鋼結構連廊桁架節點形式。

1 工程概況

濱海新城智慧城市運營管理中心，位于福州濱海新城文武砂鎮新宅路西北側，工程總建筑面積約56 147m2，其中，地上建筑面積44 104 m2，地下建筑面積12 043 m2；上部建筑平面長度約141m，寬度約63m。該工程地下1層，上部5層，局部塔樓9層；室外地面至大屋面高度22.70 m，室外地面至局部塔樓屋面高度39.50m。左右兩個部分在四層至五層屋面通過跨度33.6 m的鋼結構連廊連為一體(圖1)，左部分建筑平面主要為規劃展示區、多功能廳和指揮大廳，其余建筑平面為設備用房和辦公室；右部分建筑平面主要為行政服務中心和食堂。

圖1 效果圖

2 結構設計概況

該工程為鋼筋混凝土框架結構體系(少墻)，結構的設計使用年限為50年，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，水平地震影響系數最大值αmax=0.08；場地土類別為III類，設計地震分組為第三組，場地特征周期Tg=0.65s。地面粗糙度B類，基本風壓0.8kN/m2(50年一遇)。

根據現行國家相關規范要求，該建筑抗震設防類別為標準設防類，建筑結構安全等級二級，重要性系數取值1.0，鋼筋混凝土框架抗震等級二級，剪力墻抗震等級二級，鋼框架抗震等級四級；鋼結構連廊部分相關構件，鋼筋混凝土框架抗震等級一級。指揮大廳相關部分抗震設防類別為重點設防類，建筑結構安全等級一級，重要性系數取值1.1，鋼筋混凝土框架抗震等級一級，鋼框架抗震等級三級。

基礎設計等級乙級。據中化明達(福建)地質勘測有限公司提供的巖土工程勘察報告，經多方案比較，該工程采用高強預應力混凝土管樁PHC600-130-AB，樁端持力層為(8)-1砂土狀強風化花崗巖層。

該工程采用YJK建筑結構設計軟件計算分析。

3 鋼結構連廊方案比較

該建筑左右兩個部分在四層～五層屋面通過鋼結構連廊連為一體，連廊跨度33.6 m(圖2)。連廊與左右兩部分采用兩端剛接的強連接方式，連廊與主體結構連為一體。

普通桁架可適應的跨度范圍很大，桿件均為二力桿，受力體系較簡單，用鋼量省，但由于設置了斜腹桿，連廊在視覺效果及立面造型受到影響。空腹桁架由于結構組成沒有斜腹桿，可以充分利用結構空間，空腹桁架就桿件屬于梁單元，交會于各個節點處的桿件較少，但受力較為復雜，除了承受軸力之外，還承受彎矩和剪力的共同作用，用鋼量相對較大[1]。

圖2 結構平面布置圖

(a)平面布置

(b)立面布置圖3 方案一 空腹桁架

(a)平面布置

(b)立面布置圖4 方案二 普通桁架

對于連廊自身結構體系的選擇，在方案設計階段分別考慮普通桁架結構體系和空腹桁架結構體系，并對兩種結構體系分析比較。在平面上，除豎腹桿位置設置水平聯系梁之外，兩者均設置了水平桁架以增加連廊整體性能。兩種方案腹桿均與上下弦桿采用剛接連接。以北側連廊為例，連廊布置方案如圖3、圖4所示。方案一為空腹桁架結構體系，弦桿與腹桿均采用箱型型鋼，弦桿截面800×1600×30×30×30×30，腹桿截面800×800×30×30×30×30，兩端柱采用箱型型鋼混凝土柱，截面尺寸1200×2000(型鋼尺寸為800×1600×40×30)。方案二為普通桁架結構體系，弦桿與腹桿均采用箱型型鋼，弦桿截面700×600×30×30×30×30，斜腹桿及豎腹桿截面均700×700×30×30×30×30，兩端柱采用箱型型鋼混凝土柱，截面尺寸1200×2000(型鋼尺寸700×1600×30×40)。

經過計算分析，方案一空腹桁架跨中撓度為23.53mm，方案二普通桁架跨中撓度為12.38mm。局部桿件內力計算結果如表1～表2所示，局部桿件應力計算結果如圖5～圖6所示，用鋼量如表3所示。

表1 方案一 空腹桁架桿件計算結果

表2 方案二 普通桁架桿件計算結果

表3 用鋼量比較

根據對比分析，得出以下結論：

(1)普通桁架跨中撓度小于空腹桁架跨中撓度，普通桁架整體剛度優于空腹桁架。

(2)方案一，空腹桁架弦桿整體彎矩產生弦桿軸力，整體剪力產生桿件端部彎矩，設計可以通過調整弦桿、腹桿截面尺寸及腹桿的間距來滿足結構變形及承載能力。

方案二，普通桁架桿件內力以軸力為主，整個桁架相當于一個截面高度為8.4m的普通梁，梁端彎矩轉換為上、下弦桿軸向力，梁剪力通過腹桿傳遞到支座。

(a)四層局部桿件應力計算結果

(b)五層局部桿件應力計算結果

(c)六層局部桿件應力計算結果圖5 方案一 空腹桁架應力計算結果

(a)四層局部桿件應力計算結果

(b)五層局部桿件應力計算結果

(c)六層局部桿件應力計算結果圖6 方案二 普通桁架應力計算結果

(3)空腹桁架桿件存在較大彎矩，需要慣性矩較大的截面來承受彎矩；普通桁架桿件內力以軸力為主，能更為有效利用構件截面，用鋼量僅為空腹桁架方案的73%。

綜合分析兩種方案力學特點以及經濟性指標，該工程最終采用普通桁架方案。

4 鋼結構連廊“中震”計算分析

為了保證地震時正常的生產生活功能，降低地震所引起的經濟損失情況，該項目設計采用高于基本抗震設防目標的性能化設計方法，即針對具體工程的需要和可能，對整個結構、某些部位和關鍵構件靈活運用各種措施達到預期的性能目標[2]。結合《建筑抗震設計規范規范》GB50011-2010(2016年版)相關規定的抗震性能目標：小震不壞、中震可修、大震不倒，以及專家論證會的專家意見，該工程具體采用的抗震性能目標——在設防烈度地震(即中震)作用下，關鍵構件應滿足正截面不屈服及其受剪承載力彈性的要求。

構件截面抗震驗算公式如下：

γGSGE+γESEK+ψWγWSWK≤R/γRE

(1)

式(1)中：γG、γE、γW分別為重力荷載、地震作用、風荷載分項系數；

SGE、SEKE、SWK分別為重力荷載、地震作用、風荷載標準值效應；

ψW為風荷載組合系數；

R為構件承載力設計值；

γRE為承載力抗震調整系數。

根據選取的不同性能目標，以上各參數在設計中按照如下情況選取：

(1)保持彈性：分項系數按照規范規定取值，材料取規范規定的設計強度，不考慮與抗震等級有關的增大系數，不考慮風荷載組合作用，考慮承載力抗震調整系數γRE=0.75～0.85。

(2)不屈服： 作用分項系數及承載力抗震調整系數均取1，不考慮風荷載組合作用，不考慮與抗震等級有關的增大系數，材料取規范規定的標準強度。

該項目抗震設防烈度7度(0.10g)。設防地震的地震影響系數最大值0.23，采用YJK建筑結構設計軟件計算分析，連廊部分程序計算結果如圖7所示，相關構件應力比及配筋計算結果均能滿足中震作用正截面不屈服及其受剪承載力彈性要求。設計過程除了根據多遇地震下的計算結果進行構件設計，同時還按照中震作用下的計算結果復核構件截面及構件配筋。

5 樓板應力計算分析

該工程連廊與左右兩部分采用兩端剛接的強連接方式，連廊與主體結構連為一體，樓板連接薄弱的現象會引起局部樓板內應力的劇烈變化。因此，樓板應力分析是該項目涉及的重點之一，需要對樓板進行應力分析和性能化設計。

樓板性能化設計目標為滿足中震不屈服要求，即滿足下式：

σ1k中震·h·b≤Asfyk

(2)

式(2)中：σ1k中震為考慮中震效應標準組合作用下樓板的主拉應力；

h表示樓板厚度；

b表示單位板寬(本工程取1000mm板寬進行計算)；

fyk表示鋼筋的抗拉強度標準值；

As表示單位板寬范圍內樓板頂面和底面水平鋼筋的總面積。

(a)四層局部桿件應力計算結果

(b)五層局部桿件應力計算結果

(c)六層局部桿件應力計算結果圖7 連廊中震計算結果

經過計算分析，樓板X向應力計算結果普遍大于Y向，設計中根據X向主拉應力計算結果進行設計。圖8為中震荷載作用下，X向連廊附近樓板的應力情況。

(a)四層應力計算結果

(b)五層應力計算結果

(c)六層應力計算結果圖8 連廊中震作用下樓板X向應力計算結果

以X向主拉應力計算結果進行配筋計算，四～六層連廊相關區域加強部位配筋計算結果如表4所示。

表4 加強區域配筋計算結果

6 節點設計

該項目連廊與主體結構采用兩端剛接連接的強連接方式，這種連接方式使得連廊與主體結構連為一體，連廊參與協調兩側主體結構之間的變形[3]。兩端主體結構剛度會隨之改變，動力特性也會受到相互影響，導致連接部位的應力變得復雜[4]。

設計過程除了考慮左右兩部分按照整體和分塔模型進行包絡設計，節點的設計尤為重要。該項目在桁架兩端設置箱型型鋼混凝土柱，桁架的弦桿伸入兩端主體結構一跨(桁架兩端主體結構首跨梁為型鋼混凝土梁)。弦桿與腹桿之間，弦桿、腹桿與型鋼混凝土柱鋼骨之間均為剛接連接。

項目上、下弦桿采用貫通形式，跨層的腹桿貫通，節點區域設置多道加勁肋板，保證各桿件內力有效傳遞。此外，根據應力計算結果適當加大弦桿與斜腹桿相交處加勁板的厚度。桿件之間均采用對接坡口焊連接。典型桁架節點如圖9所示。

(a)端部節點

(b)中間節點圖9 典型桁架節點

7 結語

(1)對于鋼結構連廊，采用空腹桁架結構或采用普通桁架結構各有利弊。該項目通過分析比較兩者的工作機理和力學特點以及用鋼量，綜合考慮多方因素，最終采用普通桁架結構體系。

(2)該工程結構在設防烈度地震(即中震)作用下，關鍵構件(連廊及相關豎向構件)應滿足正截面不屈服及其受剪承載力彈性的要求，以實現“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震性能目標。經計算分析，該連廊滿足設計要求。

(3)對連廊相關區域，由于樓板連接薄弱的現象引起局部樓板內應力劇烈變化，因此對樓板進行應力分析并進行性能化設計。該項目樓板的性能化設計目標為滿足中震不屈服要求，根據樓板應力分布情況對連廊相關范圍加強配筋。

(4)兩端剛接連接的強連接方式，使得連廊兩側主體結構剛度受到影響，兩者動力特性相互影響，連接部位的應力更加復雜，因此節點設計是鋼桁架連廊的重難點之一。