折線形多跨鋼桁架連廊結構設計研究

龔 健，侯陽陽，夏念濤，陳 晴

(中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，浙江 杭州 310012)

1 概述

隨著建筑設計理念的發展，結構分析技術的提高，多塔樓之間連廊結構的應用越來越廣泛。連廊與塔樓之間的連接方式有多種類型，如剛性連接、鉸接連接、滑動支座和橡膠支座連接等。

徐自國等對北京當代MOMA工程中9幢主樓之間的8個連廊，采用SAP2000整體建模，進行了采用非線性性質隔震支座(摩擦擺式支座)的地震響應分析研究，對比了有連體和無連體結構的動力響應，結果表明隔震支座的設置減弱了連體結構對主體結構的影響，大幅降低了主樓的設計難度[1]。鄭毅敏等對杭州市民中心工程復雜6塔樓環形連廊進行了風洞試驗，開展了與塔樓連接形式的研究，介紹了采用新型摩擦擺式支座(增加一個涂聚四氟乙烯滑動面)的連廊結構，基本消除了溫度變形和風荷載作用下對主樓的影響，在罕遇地震作用下，增加的滑動面有較強的耗能能力，良好的減隔振性能，增強了整體結構的抗震能力[2]。潘毅等對大跨異性連廊的地震易損性進行了試驗研究，結果表明預埋錨固段和橡膠支座端容易發生損壞[3-4]。

合理設置連廊支座有利于簡化主樓和連廊的設計，增強整體抗震性能。本工程連廊下部有道路橫穿而過，道路凈高要求8.5 m，凈寬17 m，地面以下布置了兩層連通塔樓的地下室通道，在道路兩側還分別設置了下沉式廣場。結構設計存在諸多難點：難點1：中部橫穿而過的道路和兩側下沉式廣場對支撐柱的布置影響較大，導致支撐柱的間距大，軸線無法對齊，進而導致上部結構跨度大；難點2：1層層高11.15 m，2層層高4.5 m，1層、2層層高和剛度變化大，在1層形成了對抗震特別不利的薄弱層；難點3：建筑造型復雜：兩端寬中部窄，邊緣呈折線形，中部布置了較大的洞口。為滿足建筑造型要求，合理選擇結構體系和結構布置方案，增強結構抗震性能，對連廊結構進行了研究。

2 工程概況

本工程主體結構由兩座塔樓組成，均為集商業、餐飲、辦公為一體的綜合辦公樓。左塔由主塔樓和5層裙房組成，共23層，結構高度99.1 m，幕墻頂高度119.8 m；右塔由主塔樓和5層裙房組成，共21層，結構高度90.7 m，幕墻頂高度99.8 m。兩塔分屬不同地塊，地下設2層地下室連為一體，地面雪海路橫穿而過，兩塔隔路相望，于3層、4層設置連廊相互連通，形成雙子塔。主塔樓結構采用框架核心筒結構體系，裙房采用框架結構體系。設計連廊高度較低，為降低塔樓設計難度，考慮施工方便，經綜合分析考慮，在主樓與連廊之間采用兩道抗震縫將連廊劃分為一個獨立的結構單元進行設計。連廊效果見圖1。

3 結構方案選型

針對該連廊特殊的建筑造型要求，以及一層道路橫穿而過的情況，結合所設置的兩層連通地下室，初步擬定的結構方案為：1層避開道路和下沉式廣場采用4排混凝土柱作為連廊的支撐柱，上部兩層連廊沿外形和洞口設置折線形鋼桁架，二者共同作為連廊的主要支撐結構。

上部折線形鋼桁架與混凝土柱的連接方案可以采用剛接和鉸接兩大類：方案一為折線形鋼桁架與混凝土柱剛接，即采用在混凝土柱內插入型鋼柱，型鋼柱與上部鋼桁架剛性連接；方案二為折線形鋼桁架與混凝土柱之間鉸接，即在混凝土柱頂設置埋件，采用特殊支座或鉸接節點實現二者鉸接連接形式。

方案一的優點：結構體系完整屬于傳統的框架結構，抗震性能好，傳力明確。缺點：由于1層、2層層高相差懸殊，導致樓層剛度比、位移比以及抗剪承載力嚴重超限，是嚴重不規則結構，屬于不應采用的結構類型，而且受實際情況的限制，難以通過調整結構構件尺寸或者調整結構布置的方式予以消除。

方案二的優點：借鑒了橋梁支座結構的設計理念，在折線形鋼桁架與下部支撐混凝土柱之間設置特殊支座，使剛度大的上部結構與下部混凝土柱二者分開，避免形成嚴重不規則結構體系。缺點是由于中部有樓電梯間，設置支座將導致本應加強的樓電梯間被削弱了。

經綜合比選，采用方案二可以消除結構體系嚴重不規則的情況，可以減小結構地震反應，有利于抗震，混凝土與鋼結構界面清晰便于現場施工。針對方案二的缺點，可采用在樓電梯間四周設置四根鋼柱延伸至屋頂，同時對該部位提高抗震措施，加強構造要求等方式進行加強處理，并參考橋梁支座的抗震構造措施進行復核設計。

4 連廊結構詳細設計

根據方案二對連廊進行詳細設計。連廊與塔樓之間主要連通平面為2層，對應主體結構的3層和4層，采用多跨折線形鋼桁架，桁架上弦頂面標高13.88 m，桁架下弦頂面標高9.38 m，上下弦結構高差4.5 m，平立面布置如圖2所示。主體結構組成包含：兩榀3跨連續折線形鋼桁架設置于連廊南北兩側。兩榀單跨折線形鋼桁架設置于連廊內部留洞處的南北兩側。多跨折線形鋼桁架最大單跨跨度為25.50 m，單跨折線形鋼桁架跨度為20.55 m。主要構件截面尺寸詳見表1。

表1 主要構件截面尺寸

根據建筑需求，結構中部2-3軸交D-G軸之間布置了樓電梯間，結構層標高分別為4.82 m，9.38 m，13.88 m和18.55 m。3跨連續折線形鋼桁架5和6，分別支撐于球形鋼支座上，球形鋼支座位于截面為1 m×1 m的混凝土柱上。單跨折線形鋼桁架7和8，左側支撐于球形鋼支座上，右側與箱型截面鋼柱剛性連接。此外在1軸交C軸處設置了雙向可滑動球形鋼支座，在1軸、4軸和5軸的混凝土柱頂均設置了截面為500 mm×900 mm的Z向框架聯系梁，保證了支撐混凝土柱的側向穩定性。

鋼桁架側向的穩定構造措施：在連廊上部結構平面中設置垂直于桁架方向的H型鋼結構次梁，次梁間隔約2 m，樓面采用鋼筋桁架樓承板。為保證單跨折線形鋼桁架7/8的平面外穩定性，特別設置了平面桁架支撐體系，保證了連廊內部留洞處的局部穩定性。為保證多跨折線形鋼桁架平面外的整體穩定性，所有混凝土柱頂支座處橫向設置了箱型截面鋼結構次梁，對應的桁架腹桿也采用了箱型截面腹桿，箱型截面次梁與鋼桁架上下弦桿、箱型截面腹桿與鋼桁架上下弦桿均采用了剛性連接節點。此外每隔4 m左右的H型鋼結構次梁和對應腹桿與鋼桁架上下弦桿也采用剛接節點，保證在所有支座位置和每隔4 m左右形成穩定的封閉支撐體系，確保了結構垂直于鋼桁架方向的穩定性，同時增強了上部結構的整體剛度。

球形鋼支座已經廣泛應用于鋼結構工程和公路橋梁上，具有傳力可靠、轉動靈活、承載力高、使用壽命長、允許位移量大的特點，能夠滿足支座大轉角的需要。

擬采取的支座參數詳見表2。球形鋼支座的構造詳見圖3，其組成主要由上支座板、下支座板和中間球面板三塊厚板組成，三塊厚板之間的兩個接觸面由平面滑板和不銹鋼板組成，分別貼焊于兩側厚板上。上支座板與球面板之間的接觸面形成水平滑動面，下支座板與球面板之間的接觸面形成轉動滑面，通過控制上下支座板的間隙和水平滑動面的滑動鋼板來實現固定和單向或雙向滑動，此外還設置了限位構造裝置。

表2 支座參數表

5 計算模型和基本設計參數

5.1 計算模型

采用通用鋼結構分析軟件STAAD Pro建立了連廊的整體分析模型，如圖4所示。地下室頂板作為該連廊結構的嵌固部位，滿足規范各項要求。鋼桁架鉸接支座在模型中采用釋放柱頂兩個方向的彎矩進行模擬。

5.2 基本參數及荷載工況

連廊設計使用年限為50 a，抗震設防分類標準為丙類，抗震設防烈度為7度，設計地震加速度為0.1g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，特征周期為0.45 s，水平地震影響系數最大值(多遇地震時)為0.08，阻尼比0.04。抗震等級：框架三級，鋼結構四級。

設計基本風壓按100 a一遇基本風壓取0.5 kN/m2，地面粗糙度類別為C類。根據本地氣候資料，考慮控制鋼結構的合龍溫度在10 ℃～15 ℃，升溫溫差取+33.0 ℃，降溫溫差取-30.0 ℃。

6 折線形鋼桁架計算分析

6.1 連廊結構動力特性

連廊結構主要基本動力特性如表3所示。第1階振型為X向平動，第2階振型為Z向平動，第3階振型為第一扭轉振型，結構周期比為0.71小于0.9，表明連廊具有良好的抗扭剛度，滿足規范要求。

表3 連廊動力特性

6.2 計算結果分析

根據《荷載規范》的要求對最不利工況進行了詳細的受力分析。在最不利荷載工況下，主受力桁架5和6上下弦桿最不利截面位于第2支座和第3支座處，最大強度和穩定應力比均小于0.8，滿足規范要求。在最不利荷載工況下，主受力桁架7和8最大強度和穩定應力比均小于0.6，滿足規范要求。連廊主要支撐桁架構件的強度和穩定性具有足夠的安全余度。

風荷載標準值作用下樓層最大彈性位移和位移角均較小，滿足規范要求。多遇地震作用標準值產生的樓層內最大彈性位移在頂層：X向為13.582 mm，Z向為17.874 mm。最大層間位移角在首層，X向為1/821，Z向為1/769，均滿足規范1/550的要求，連廊結構在水平荷載作用下位移和層間位移角均較小，說明整體結構具有足夠的水平剛度。

此外由于連廊一層最小剛重比為16.69小于20，根據《高規》的要求，應考慮重力二階效應的不利影響。考慮二階效應后，最大位移略有增加，混凝土柱底軸力基本不變，柱底彎矩均略有減小，設計時按內力包絡進行設計。

6.3 連接節點設計

連廊垂直于折線形鋼桁架面外的側向剛度由鋼桁架豎腹桿與對應位置樓面次梁形成的封閉結構提供。因此相應連接節點的設計最為關鍵。

支座位置處的箱型截面次梁與上下弦桿的連接采用滿足規范要求的安裝螺栓先行固定，在現場采用全熔透剖口對接施焊，焊縫等級均為一級。并在次梁腹板對應位置的上下弦桿內設置等厚且不小于16 mm的加勁板，做法詳見圖5，保證了次梁與弦桿的剛性連接。

斜腹桿和豎腹桿與上下弦桿的連接同樣采用全熔透坡口等強對接焊，詳見圖6。斜腹桿端頭采用弧線彎頭進行過渡，增強了整個節點的剛度，對于沒有斜腹桿相連的節點采用四角設置加勁肋的方式進行加強，同樣可以確保連接節點的剛度，為折線形鋼桁架提供良好的側向支撐剛度。

此外支座的設置也尤為關鍵，為保證支座有效將荷載傳遞給下部混凝土柱，在支座外延200 mm范圍內加厚上下弦桿翼緣板至30 mm，并在弦桿下部設置田字形支撐加勁板，板厚40 mm，加勁板與上下弦桿和支座底板的連接同樣采用坡口對接焊或刨平頂緊后施焊，并在上下弦桿對應位置設置40 mm加勁板，上述措施可以保證支座節點傳力的可靠性，見圖7。

6.4 特殊抗震措施

為確保連廊在中震和大震作用下球形鋼支座不脫空，分別在1軸、4軸和5軸支撐混凝土梁上分別設置了2處水平限位支座，節點構造如圖8所示。在混凝土梁的設計時考慮了限位支座傳遞的荷載。

7 結語

通過對該連廊結構的選型設計研究和具體設計，以及對單跨和多跨折線形鋼桁架的計算分析，從設計角度驗證了該連廊結構的安全性和可靠性，通過關鍵連接節點和特殊抗震構造措施的詳細設計，保證了計算模型中采用的簡化和假設的準確性，為本工程的結構設計提供了理論支撐。結果表明：本工程應用折線形鋼桁架順利解決了建筑造型復雜、約束條件多的難點，以及常規結構體系抗震不利的困境，為類似工程提供參考。

由于采用的折線形鋼桁架在實際工程中采用的較少，也沒有成熟的經驗，其側向穩定性問題較為復雜且敏感，影響因素也較多。本文并未考慮非線性和支座沉降對其穩定性的影響，而是采用有效的構造措施予以保證，其側向穩定性仍需做進一步研究和探索。