柔性連接連體結構設計研究

馬大杰，袁斌波

（禾澤都林設計集團有限公司，浙江嵊州 312400）

1 引言

隨著建筑行業(yè)不斷向前發(fā)展，現(xiàn)代建筑的功能也出現(xiàn)了不同以往的變化，因此，各種改進措施和應對方案應運而生。為滿足建筑各部分主體結構的連接和使用要求，常在主體部分之間設置連廊結構。當前，帶連廊的建筑結構是在建筑行業(yè)中較為常用的建筑結構，走廊與主體的連接主要采用剛性連接、鉸鏈連接、滑動連接、柔性連接等鏈接方法。JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》中規(guī)定：在連體結構與主體結構中間采用剛性連接[1，2]。

緊密的連接使相互連接的主體結構相互影響，產(chǎn)生耦合現(xiàn)象，使連接處的應力變得更加復雜。由于地震的影響，廊道結構容易與主體結構分離，嚴重的甚至會造成整體倒塌現(xiàn)象。這些情況致使連廊結構的設計成為當前結構設計人員面臨的難題。目前，我國對帶走廊的復雜性和功能性強的建筑物設計還沒有完善的技術標準。國內(nèi)外諸多專家學者對連廊結構進行了大量的研究調(diào)查分析，如對摩天大樓廊道結構連接方式的理論分析、振動臺試驗研究等，探討連接體位置發(fā)生變化對結構體系抗震性能的影響等[3]。當兩側塔樓動力特性相差較大時，連接體一般采用半剛性連接，連接體包括一端剛接、一端滑動或一端剛接、一端鉸接等幾種形式。當兩側塔樓體型特殊及剛度較大，其動力特性相差很大時，連接體可采用柔性連接，可減弱連接體對兩側塔樓的影響，此時連接體一端滑動、一端鉸接或兩端均為滑動。對于連體結構的滑動連接點，可以設于塔樓節(jié)點位，并設置防跌落裝置，確保連接體在經(jīng)歷罕遇地震作用時不致跌落，以防發(fā)生次生災害。

2 工程概況

本項目工程主體為多層框架廊道結構，包含了兩座5 層樓高的廠房以及1 座5 層樓高的附屬樓，廠房工程主體為鋼筋混凝土框架結構；廠房、附屬樓以及地下室的層高分別為24.6 m、23.6 m、3.4 m。附屬樓與廠房之間存在高度差，因此，兩棟建筑的每層樓之間都會發(fā)生錯位。在整體的結構設計上，兩座廠房和附屬樓，在主體兩端的垂直方向上布置了2 個獨立的連接通道，形成一個對稱的廊道結構；兩條廊道標高分別為14.1 m 和18.6 m，廊道兩端的標高一致，走廊跨度為17.0 m，寬度25.2 m。

本項目中的柔性連接采用鉛芯疊層橡膠支座，位于廊道與主體結構的連接處，柔性支撐件的機械性能見表1。

表1 柔性支撐件的機械性能

3 柔性連接連體體系性能分析

3.1 連接結構整體分析

若連廊與主體結構分別用柔性連接和剛性連接時，在連接結構的前12 階周期和模態(tài)系數(shù)圖中，通過詳細的測算，綜合分析各周期模態(tài)的情況。連接結構的振動主要參考各單元的第一模態(tài)，中心的單體振動為前3 階振型，兩邊對稱的主體振動為4～6 階振型。結合相關計算得出，柔性連接方式結構的整體剛度小于剛性連接方式結構，而兩端柔性連接的結構整體剛度普遍比較低，廊道與主體結構柔性連接周期比采用剛性連接的略有增加[4]。

3.3 連接體與主體結構滑動量計算

本工程為多層構架廊道的建筑物，該項目場地處于地震帶附近，場地類別為Ⅱ類，建筑物主體框架抗震等級為二級。對本工程結構進行3D 有限元時程分析，并且采用了最新的空間計量模型，通過隔震支撐單元模擬柔性連接結構的非線性特性。輸入來自實際地震記錄的5 個自然波和與站點匹配的3個人工合成具有加速度時程的場地波。

參考姚江強學者的研究可知[5]，當連接體與主體結構出現(xiàn)滑動時，支座的滑移量要滿足兩個方向的移動，當?shù)卣鹚轮ё疲瑧紤]使用時程分析。因此，對本工程進行時程分析，結果表明，地震作用下左側多層結構連接體所處樓層發(fā)生的最大位移量為75 mm，在地震作用下右側高層結構連接體所處樓層，兩個方向發(fā)生的最大位移量分別為40 mm、51 mm。

綜上，需要根據(jù)所處樓層的最大位移量，設計本工程支座的滑動位移量。故本工程設計中，鋼連廊滑動支座的一般允許水平位移量取100 mm。根據(jù)規(guī)定，本工程連體結構最小防震縫寬度為140 mm，比鋼連廊滑動支座的允許水平位移量要大，本次設計中防震縫取值為150 mm，滿足預防連接體與右側高層相撞的設計要求。

固定鉸支座和雙向滑動鉸支座均采用成品抗震支座，應由專業(yè)廠家設計制作，以滿足安裝要求。支架與上下結構均在工程現(xiàn)場進行焊接，采用E43 型焊條進行手工焊接，H08Mn2SiA 焊絲進行CO2氣體保護焊，設計焊縫為坡口焊，保證焊縫質(zhì)量等級為二次焊。在支座安裝時，應采取可靠的措施，確保支座安裝過程中的受力在設計支座承載力限值以內(nèi)。在滑動支座和鉸支座周圍均設置鋼筋混凝土防跌落擋板，以防連接體在地震作用下發(fā)生掉落，從而引發(fā)次生災害。

3.4 支座連續(xù)抗倒塌分析

支座作為支撐連廊的重要構件，如果其中一個支座突然失效，這樣會導致結構安全冗余度降低，有可能造成連廊連續(xù)性破壞或倒塌情況。因此，作為本工程重點控制的結構，采用拆除構件法對連廊抗連續(xù)倒塌情況進行分析，每榀桁架單側共設計8 個支座，考慮結構對稱性，假定其中一個支座失效，計算結果見表2。

從表2 可知：

表2 單個支座失效后計算結果

1）在單個支座失效時，支座最大反力為2 922 kN，小于支座承載力規(guī)定的設計值3 000 kN；

2）連廊鋼結構最大應力比0.95，小于規(guī)定的最大應力比1.0；

3）上層支座的最大支座反力要比下層支座大，下層支座對連廊的最大應力要比上層支座大；

4）單個支座失效對連廊整體的豎向變形影響很小。當走廊與主體結構分別采用柔性連接和剛性連接時，對低強度地震下位移響應進行分析，對在地震作用下主體結構樓層之間的平均位移進行響應計算；如果連體結構遇到大的地震波時，則分別計算柔性連接和剛性連接的主體結構樓層之間的位移響應情況。本工程將剛性連接與柔性連接的層間位移響應進行比較，可知柔性連接的層間位移小于剛性連接的層間位移。但在某種程度上看，不同連接方式的層間平均位移響應圖形的形狀大致相同，而廊道位置層位移比較大。因此，要改善廊道的豎向結構剛度，從而有效減少了因結構突變造成的薄弱部位倒塌的現(xiàn)象。

由此可見，通過設置雙層支座，不僅能分散豎向力，降低單個支座高度，還能提高結構的安全冗余度和抗連續(xù)倒塌能力。但由于雙層支座受力冗余度大，這對支座受力控制和施工精度提出了較高的要求，在實際施工中應設置應力片對支座處的受力狀態(tài)進行檢測，以保證施工質(zhì)量和安全。可以在支座底板邊緣設置高強度邊界，不僅可以作為固定板簧的組件，還可以有效避免發(fā)生極端情況，避免連接體與主體結構位移差較大，連接體跌落的情況[6]。

4 結語

采用柔性連接的連體結構受力形式簡單，能夠避免連體結構產(chǎn)生復雜受力，有效降低扭轉(zhuǎn)效應，同時此種連體結構還有良好的經(jīng)濟效益，連廊和主體結構也可單獨設計。經(jīng)本文設計分析得出以下結論：

1）柔性連接方式結構的整體剛度小于剛性連接方式結構，而兩端柔性連接的結構整體剛度普遍比較低，廊道與主體結構柔性連接周期比采用剛性連接的略有增加。

2）在滑動支座和鉸支座周圍均設置鋼筋混凝土防跌落擋板，以防連接體在地震作用下發(fā)生掉落，從而引發(fā)次生災害。

3）設置雙層支座，不僅能分散豎向力，降低單個高度，還能提高結構的安全冗余度和抗連續(xù)倒塌能力。

總之，在帶連廊的連體結構設計時，可以在特定工況下，優(yōu)先考慮選用柔性支座連接設計。