張璘琳

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

近年來(lái)，隨著建筑行業(yè)迅速發(fā)展，施工技術(shù)不斷提高。建筑形式呈現(xiàn)越來(lái)越多樣化及復(fù)雜化發(fā)展趨勢(shì)，大跨度空中連廊越來(lái)越多被運(yùn)用于現(xiàn)代建筑。在大跨度鋼結(jié)構(gòu)連廊設(shè)計(jì)中，最常用的桁架結(jié)構(gòu)形式主要有普通桁架結(jié)構(gòu)體系和空腹桁架結(jié)構(gòu)體系，二者在工作機(jī)理、力學(xué)特點(diǎn)及用鋼量方面各不相同。基此，本文以濱海新城智慧城市運(yùn)營(yíng)管理中心鋼結(jié)構(gòu)連廊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，比較分析普通桁架和空腹桁架的工作機(jī)理和力學(xué)特點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，尤其著重介紹該鋼結(jié)構(gòu)連廊中震設(shè)計(jì)過(guò)程，分析連廊相關(guān)范圍樓板的應(yīng)力分布特點(diǎn)及其性能化設(shè)計(jì)和鋼結(jié)構(gòu)連廊桁架節(jié)點(diǎn)形式。

1 工程概況

濱海新城智慧城市運(yùn)營(yíng)管理中心，位于福州濱海新城文武砂鎮(zhèn)新宅路西北側(cè)，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(zhǎng)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(gè)部分在四層至五層屋面通過(guò)跨度33.6 m的鋼結(jié)構(gòu)連廊連為一體(圖1)，左部分建筑平面主要為規(guī)劃展示區(qū)、多功能廳和指揮大廳，其余建筑平面為設(shè)備用房和辦公室；右部分建筑平面主要為行政服務(wù)中心和食堂。

圖1 效果圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

該工程為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系(少墻)，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.10g，水平地震影響系數(shù)最大值αmax=0.08；場(chǎng)地土類(lèi)別為III類(lèi)，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地特征周期Tg=0.65s。地面粗糙度B類(lèi)，基本風(fēng)壓0.8kN/m2(50年一遇)。

根據(jù)現(xiàn)行國(guó)家相關(guān)規(guī)范要求，該建筑抗震設(shè)防類(lèi)別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類(lèi)，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，重要性系數(shù)取值1.0，鋼筋混凝土框架抗震等級(jí)二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)二級(jí)，鋼框架抗震等級(jí)四級(jí)；鋼結(jié)構(gòu)連廊部分相關(guān)構(gòu)件，鋼筋混凝土框架抗震等級(jí)一級(jí)。指揮大廳相關(guān)部分抗震設(shè)防類(lèi)別為重點(diǎn)設(shè)防類(lèi)，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)一級(jí)，重要性系數(shù)取值1.1，鋼筋混凝土框架抗震等級(jí)一級(jí)，鋼框架抗震等級(jí)三級(jí)。

基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)乙級(jí)。據(jù)中化明達(dá)(福建)地質(zhì)勘測(cè)有限公司提供的巖土工程勘察報(bào)告，經(jīng)多方案比較，該工程采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁PHC600-130-AB，樁端持力層為(8)-1砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層。

該工程采用YJK建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算分析。

3 鋼結(jié)構(gòu)連廊方案比較

該建筑左右兩個(gè)部分在四層～五層屋面通過(guò)鋼結(jié)構(gòu)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(qiáng)連接方式，連廊與主體結(jié)構(gòu)連為一體。

普通桁架可適應(yīng)的跨度范圍很大，桿件均為二力桿，受力體系較簡(jiǎn)單，用鋼量省，但由于設(shè)置了斜腹桿，連廊在視覺(jué)效果及立面造型受到影響?？崭硅旒苡捎诮Y(jié)構(gòu)組成沒(méi)有斜腹桿，可以充分利用結(jié)構(gòu)空間，空腹桁架就桿件屬于梁?jiǎn)卧?，交?huì)于各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的桿件較少，但受力較為復(fù)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(duì)較大[1]。

圖2 結(jié)構(gòu)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(duì)于連廊自身結(jié)構(gòu)體系的選擇，在方案設(shè)計(jì)階段分別考慮普通桁架結(jié)構(gòu)體系和空腹桁架結(jié)構(gòu)體系，并對(duì)兩種結(jié)構(gòu)體系分析比較。在平面上，除豎腹桿位置設(shè)置水平聯(lián)系梁之外，兩者均設(shè)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(cè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jīng)過(guò)計(jì)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(nèi)力計(jì)算結(jié)果如表1～表2所示，局部桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)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(jì)算結(jié)果

表2 方案二 普通桁架桿件計(jì)算結(jié)果

表3 用鋼量比較

根據(jù)對(duì)比分析，得出以下結(jié)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(yōu)于空腹桁架。

(2)方案一，空腹桁架弦桿整體彎矩產(chǎn)生弦桿軸力，整體剪力產(chǎn)生桿件端部彎矩，設(shè)計(jì)可以通過(guò)調(diào)整弦桿、腹桿截面尺寸及腹桿的間距來(lái)滿足結(jié)構(gòu)變形及承載能力。

方案二，普通桁架桿件內(nèi)力以軸力為主，整個(gè)桁架相當(dāng)于一個(gè)截面高度為8.4m的普通梁，梁端彎矩轉(zhuǎn)換為上、下弦桿軸向力，梁剪力通過(guò)腹桿傳遞到支座。

(a)四層局部桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

(b)五層局部桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

(c)六層局部桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖5 方案一 空腹桁架應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

(a)四層局部桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

(b)五層局部桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

(c)六層局部桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖6 方案二 普通桁架應(yīng)力計(jì)算結(jié)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(lái)承受彎矩；普通桁架桿件內(nèi)力以軸力為主，能更為有效利用構(gòu)件截面，用鋼量?jī)H為空腹桁架方案的73%。

綜合分析兩種方案力學(xué)特點(diǎn)以及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，該工程最終采用普通桁架方案。

4 鋼結(jié)構(gòu)連廊“中震”計(jì)算分析

為了保證地震時(shí)正常的生產(chǎn)生活功能，降低地震所引起的經(jīng)濟(jì)損失情況，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用高于基本抗震設(shè)防目標(biāo)的性能化設(shè)計(jì)方法，即針對(duì)具體工程的需要和可能，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)、某些部位和關(guān)鍵構(gòu)件靈活運(yùn)用各種措施達(dá)到預(yù)期的性能目標(biāo)[2]。結(jié)合《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)范》GB50011-2010(2016年版)相關(guān)規(guī)定的抗震性能目標(biāo)：小震不壞、中震可修、大震不倒，以及專家論證會(huì)的專家意見(jiàn)，該工程具體采用的抗震性能目標(biāo)——在設(shè)防烈度地震(即中震)作用下，關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)滿足正截面不屈服及其受剪承載力彈性的要求。

構(gòu)件截面抗震驗(yàn)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(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)；

SGE、SEKE、SWK分別為重力荷載、地震作用、風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值效應(yīng)；

ψW為風(fēng)荷載組合系數(shù)；

R為構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值；

γRE為承載力抗震調(diào)整系數(shù)。

根據(jù)選取的不同性能目標(biāo)，以上各參數(shù)在設(shè)計(jì)中按照如下情況選?。?/p>

(1)保持彈性：分項(xiàng)系數(shù)按照規(guī)范規(guī)定取值，材料取規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，不考慮與抗震等級(jí)有關(guān)的增大系數(shù)，不考慮風(fēng)荷載組合作用，考慮承載力抗震調(diào)整系數(shù)γRE=0.75～0.85。

(2)不屈服： 作用分項(xiàng)系數(shù)及承載力抗震調(diào)整系數(shù)均取1，不考慮風(fēng)荷載組合作用，不考慮與抗震等級(jí)有關(guān)的增大系數(shù)，材料取規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度。

該項(xiàng)目抗震設(shè)防烈度7度(0.10g)。設(shè)防地震的地震影響系數(shù)最大值0.23，采用YJK建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算分析，連廊部分程序計(jì)算結(jié)果如圖7所示，相關(guān)構(gòu)件應(yīng)力比及配筋計(jì)算結(jié)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(shè)計(jì)過(guò)程除了根據(jù)多遇地震下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)，同時(shí)還按照中震作用下的計(jì)算結(jié)果復(fù)核構(gòu)件截面及構(gòu)件配筋。

5 樓板應(yīng)力計(jì)算分析

該工程連廊與左右兩部分采用兩端剛接的強(qiáng)連接方式，連廊與主體結(jié)構(gòu)連為一體，樓板連接薄弱的現(xiàn)象會(huì)引起局部樓板內(nèi)應(yīng)力的劇烈變化。因此，樓板應(yīng)力分析是該項(xiàng)目涉及的重點(diǎn)之一，需要對(duì)樓板進(jìn)行應(yīng)力分析和性能化設(shè)計(jì)。

樓板性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)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(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合作用下樓板的主拉應(yīng)力；

h表示樓板厚度；

b表示單位板寬(本工程取1000mm板寬進(jìn)行計(jì)算)；

fyk表示鋼筋的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

As表示單位板寬范圍內(nèi)樓板頂面和底面水平鋼筋的總面積。

(a)四層局部桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

(b)五層局部桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

(c)六層局部桿件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖7 連廊中震計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，樓板X(qián)向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果普遍大于Y向，設(shè)計(jì)中根據(jù)X向主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。圖8為中震荷載作用下，X向連廊附近樓板的應(yīng)力情況。

(a)四層應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

(b)五層應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

(c)六層應(yīng)力計(jì)算結(jié)果圖8 連廊中震作用下樓板X(qián)向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

以X向主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋計(jì)算，四～六層連廊相關(guān)區(qū)域加強(qiáng)部位配筋計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 加強(qiáng)區(qū)域配筋計(jì)算結(jié)果

6 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目連廊與主體結(jié)構(gòu)采用兩端剛接連接的強(qiáng)連接方式，這種連接方式使得連廊與主體結(jié)構(gòu)連為一體，連廊參與協(xié)調(diào)兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)之間的變形[3]。兩端主體結(jié)構(gòu)剛度會(huì)隨之改變，動(dòng)力特性也會(huì)受到相互影響，導(dǎo)致連接部位的應(yīng)力變得復(fù)雜[4]。

設(shè)計(jì)過(guò)程除了考慮左右兩部分按照整體和分塔模型進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)尤為重要。該項(xiàng)目在桁架兩端設(shè)置箱型型鋼混凝土柱，桁架的弦桿伸入兩端主體結(jié)構(gòu)一跨(桁架兩端主體結(jié)構(gòu)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(xiàng)目上、下弦桿采用貫通形式，跨層的腹桿貫通，節(jié)點(diǎn)區(qū)域設(shè)置多道加勁肋板，保證各桿件內(nèi)力有效傳遞。此外，根據(jù)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果適當(dāng)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(duì)接坡口焊連接。典型桁架節(jié)點(diǎn)如圖9所示。

(a)端部節(jié)點(diǎn)

(b)中間節(jié)點(diǎn)圖9 典型桁架節(jié)點(diǎn)

7 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)連廊，采用空腹桁架結(jié)構(gòu)或采用普通桁架結(jié)構(gòu)各有利弊。該項(xiàng)目通過(guò)分析比較兩者的工作機(jī)理和力學(xué)特點(diǎn)以及用鋼量，綜合考慮多方因素，最終采用普通桁架結(jié)構(gòu)體系。

(2)該工程結(jié)構(gòu)在設(shè)防烈度地震(即中震)作用下，關(guān)鍵構(gòu)件(連廊及相關(guān)豎向構(gòu)件)應(yīng)滿足正截面不屈服及其受剪承載力彈性的要求，以實(shí)現(xiàn)“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震性能目標(biāo)。經(jīng)計(jì)算分析，該連廊滿足設(shè)計(jì)要求。

(3)對(duì)連廊相關(guān)區(qū)域，由于樓板連接薄弱的現(xiàn)象引起局部樓板內(nèi)應(yīng)力劇烈變化，因此對(duì)樓板進(jìn)行應(yīng)力分析并進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目樓板的性能化設(shè)計(jì)目標(biāo)為滿足中震不屈服要求，根據(jù)樓板應(yīng)力分布情況對(duì)連廊相關(guān)范圍加強(qiáng)配筋。

(4)兩端剛接連接的強(qiáng)連接方式，使得連廊兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)剛度受到影響，兩者動(dòng)力特性相互影響，連接部位的應(yīng)力更加復(fù)雜，因此節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是鋼桁架連廊的重難點(diǎn)之一。