連體結構的設計分析

金晶

（廣州市設計院集團有限公司，廣東 廣州 510620）

1 工程概況

建筑工程中，建筑之間作連接的結構形式通常會選擇連廊結構，以實現功能和建筑外觀上的統一。現代建筑經常出現兩個或多個建筑由設置在一定高度處的大跨度連廊相連，而組成一個建筑群體的情況。

對于具有連廊的建筑結構來講，連廊是極為關鍵的構成部分。針對連廊非分析研究主要如下。

（1）連廊支座效應及相連主體結構剛度及動力響應等影響，主要有：胡振青等[1]通過徐州中央國際廣場項目中一種剛性連接連廊進行設計分析，王宗維[2]討論了鋼連廊不同柔性連接形式的受力機制，并提出一種新型的柔性連接方式。針對柔性連接，部分學者采用了數值分析和試驗研究的方式，實現了不同連接方案的對比研究[3]。

（2）針對連廊結構自身計算和分析研究，主要有：張瓊等[4]基于人群荷載的計算模型，研究不同行人密度下的連廊結構的動力響應，并做出了相關結構振動舒適度進行評價。王震等[5]通過最實際工程建立有限元模型，分析其結構體系的特點及性能目標、桁架結構的節點分析、整體性的指標把控以及彈性時程分析之后的抗震構造措施等。

國內外工程師對大跨度連廊結構的研究，主要集中為針對單個項目連廊進行的設計分析，暫未有人對此類連廊結構的設計進行統計對比。

本文提出一種連廊結構設計基本流程以及研究方法，基于本項目南、北塔間連廊來進行計算分析與研究。

連廊為連接南塔三、四層與北塔四、五層的室外連廊，離地面約14.4m，跨度為40m，寬度為5.6m，高度為4.6m。連廊采用鋼桁架的結構體系，上、下層與南、北塔樓連接位置，在塔樓的框架梁上采用限位可滑動支座以實現弱連接，然后在設置變形縫，使得兩個塔樓相互獨立，從而達到減小連廊、主體結構之間的相互影響的目的。

2 設計基本條件

2.1 荷載條件

附加恒載：1.5kN/m2（連廊首層），3.5kN/m2（連廊二層）；人群荷載：4.0kN/m2（按《城市人行天橋與人行地道技術規范》計算）。幕墻荷載：1.5kN/m2。

2.2 材料

結構材料如表1 所示。

表1 結構材料

2.3 結構布置

樓板厚120mm；桁架弦桿截面：方鋼管口600mm×350mm×25mm×25mm，腹桿截面：方鋼管口200mm×350mm×25mm×25mm，次梁截面H300mm×200mm×5mm×15mm。連廊結構布置如圖1 所示。

圖1 連廊結構布置（單位：mm）

2.4 支座設計條件

經過對大震計算的結構分析，連廊與塔樓支座的滑移量及變形縫寬度須滿足罕遇地震作用下結構的最不利相對位移，才可避免碰撞破壞。按彈性計算，兩個塔樓在大震等效彈性位移值分別為150mm、55mm；對南塔樓進行彈塑性分析后，連廊標高處的大震下彈塑性位移值為138.55mm，結合兩塔樓的相對運動，支座滑移量定義為250mm，變形縫寬度取為250mm，保證大震下連廊不墜落。限位可滑動支座布置及連接如圖2 所示。

圖2 支座布置（單位：mm）

3 連廊的計算分析

采用SAP2000 有限元軟件進行計算分析，阻尼比取值為0.01。

3.1 構件應力比與長細比

連廊構件按中震彈性設計，經計算恒載+活載的組合為最不利荷載組，非地震控制。在各荷載組合下，構件的應力比中弦桿最大應力比為0.562，腹桿最大應力比為0.783，次梁最大應力比為0.242，均可滿足規范要求。

各構件長細比驗算結果如下所示：弦桿最大長細比λmax=44，腹桿最大長細比λmax=84.4，均小于《鋼結構設計標準》要求的限值λlim=120。

3.2 整體穩定分析

對連廊進行恒載+活載下的屈曲分析，第一屈曲模態如圖3 所示，表現為受壓弦桿及腹桿的屈曲失穩，屈曲因子=24.98，可知結構整體穩定遠可滿足要求。

圖3 第一屈曲模態

3.3 撓度

根據《城市人行天橋與人行地道技術規范》2.5.2條，由人群荷載計算的桁架式天橋跨中撓度不應超過L/800。本連橋在人群荷載下，桁架跨中最大撓度為32.5mm，梁跨度為40m，撓度為跨度的1/1230，滿足規范要求。

3.4 舒適度分析

對于人行天橋的舒適度要求，國內目前采用的是避開敏感頻率法，即通過避開敏感范圍內的頻率以達到建筑的使用要求，有效避開人的活動能力較高頻譜范圍內激發出結構的整體振動。《城市人行天橋與人行地道技術規范》第2.5.4 條規定，天橋上部結構的豎向振動頻率不應小于3Hz。

國際上則大多采用限值動力響應值法，目前最常用的舒適度評價標準為加速度峰值。其研究方法是將人行走產生的激振力采用時程分析方法作用在結構上，得到建筑在行人激勵作用下，從靜止發展到振動直到振動終止整個過程的結構響應。

本連廊采用避開敏感頻率和限值峰值加速度的雙控標準來進行舒適度分析。

3.4.1 振型分析

連廊前五階振型的周期與頻率如表2 所示。

表2 周期與頻率

其中第二振型為豎向振動第一模態，f1=3.5Hz，大于《城市人行天橋與人行地道技術規范》要求的限值3Hz。第四振型為橫向振動第一模態，f1=4.61Hz（大于1.5Hz），可不考慮計入橫向同步激勵誘發的橫向動力失穩。

3.4.2 人致激勵下連廊時程分析

（1）人行荷載模型及時程分析工況。連廊的人行荷載模型采用國際橋梁與結構工程協會（IABSE）建議的模型，計算公式如式（1）所示。

式中：P——人體重量；αi——第i 階諧波分量的動力系數，α1=0.4+0.25（fs-2），α2=α3=0.1；fs——步行頻率；t——時間；φi——第i 階諧波分量的相位角，φ1=0，φ2=φ3=π/2。

分析時，參考《德國人行橋設計指南》，定義不同工況以區別不同的行人交通級別和相關的人流密度，步行工況定義如表3 所示。行人標準體重力P 取700N（重70kg），步頻按相應工況的激勵頻率進行調整，以考慮不同頻率下人群激勵對天橋的激振效果。

表3 步行工況定義

（2）舒適度評價標準。國內還沒有統一的室外人行天橋有關加速度峰值的舒適度評價指標，本工程參考《德國人行橋設計指南》EN（03-8—2007）的舒適度定義，具體取值如表4 所示。

表4 德國人行橋設計指南舒適度定義 單位：m/s2

（3）時程分析結果。各分析工況下連廊主結構跨中的加速度峰值如表5 所示。

表5 各分析工況下桁架跨中豎向加速度振動峰值

結構在四種不同的人群荷載激勵下，主結構跨中加速度響應最大為0.202m/s2，舒適度等級為很舒適。

4 結語

對本項目南、北塔進行分析研究，得出連接塔樓的連廊支座弱連接屬性可滿足抗震性能要求；同時對該連廊結構的對比分析可以得出，該連廊結構滿足強度及穩定性要求，舒適度亦可達到很舒適要求，連廊結構是可靠且安全的。