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        某超限高層的特大跨度連體結構的受力性能分析

        2021-07-03 09:25:52蘇森林
        廣東土木與建筑 2021年6期
        關鍵詞:樓蓋塔樓軸力

        蘇森林,皮 佳

        (廣東省建筑設計研究院有限公司 廣州510010)

        1 工程概況

        某工程主體為2 座塔樓,相距約64 m,2 座塔樓在6、7 層采用鋼結構連體進行連接,連體最大跨度約85.0 m,屬于特大跨度連體結構超限高層。其中A 塔樓地上8 層,地下1 層,總高度42.40 m,平面尺寸為30.40 m×63.20 m,主要層高為4.5 m 和4.2 m;B 塔樓地上10層,地下1層,總高度52.05 m,平面尺寸為33.30 m×62.60 m,主要層高為4.5 m。位于6、7 層處的連體寬9.3 m,2層高度共9.0 m(見圖1)。

        圖1 2塔樓連體結構計算模型Fig.1 Calculation Model of Two Tower Connected Structure

        2 連體結構方案初步選型分析

        2.1 連體鋼結構桁架方案選型分析

        結合建筑使用功能需求及結構受力特點,為適應大跨度、高跨高比的需求(連體寬度9.3 m,最大跨度85 m,共2 層,高度9.0 m),連體結構采用鋼結構桁架[1-2]。選取3 種鋼結構桁架結構形式進行比選,分別為①普通桁架(上、下弦桿及腹桿采用Q420 鋼材,其余桿件采用Q345B 鋼材);②斜腹桿為拉桿的桁架(上、下弦及直腹桿均為箱形截面,采用Q420 鋼材,拉桿采用Q650);③空腹桁架(上、下弦及直腹桿強度等級為Q420)。連體桁架的主要節(jié)間間距為8.3 m(見圖2)。

        對于本工程桁架結構,在滿足建筑凈高及透光的要求下,選取剛度大截面高度小的箱型截面。根據(jù)計算結果,其工程量指標統(tǒng)計如表1所示。

        表1 連體鋼結構桁架方案鋼材用量統(tǒng)計Tab.1 Statistics of Steel Consumption for Conjoined Steel Structure Truss Scheme

        從鋼材用量統(tǒng)計可以看出,普通桁架方案用鋼量遠低于另外2種方案,經(jīng)濟性較好,且普通桁架方案的斜腹桿最大截面為B350×350×25,能夠滿足建筑功能及立面的要求。根據(jù)以上分析結果,結合結構受力特點、建筑功能需求及經(jīng)濟性,本工程采用交叉斜桿的普通桁架方案。

        2.2 連體鋼結構與塔樓水平連接方式分析

        因連體部分體量大,連體與塔樓的連接方式較為重要,在連體與B塔固結的條件下,采用有限元分析軟件Midas/Gen 分析對比連體與A 塔3 種不同連接方式的受力特征,包括鋼連體與A塔樓采用固接連接、采用鉸接連接以及采用滑動支座連接。其中滑動支座阻尼器參數(shù)為500 000 kN/m,阻尼系數(shù)3 000 kN/(m/·s-1),阻尼指數(shù)為0.3。

        從分析結果看出(見圖3~圖5),固接與鉸接連接2 種方式其構件內力變化不明顯,但鉸接方式的桁架位移為固接方式的2倍,而滑動支座連接方式,其構件內力及位移變形也更大。綜合考慮,雖然固接連接方式的邊跨桁架桿件內力較大,但其仍處于桿件承載力范圍內,本工程采用固接連接方式。

        圖3 固接連接方式連體桁架計算結果Fig.3 Calculation Results of the Truss with Fixed Connection

        圖4 鉸接連接方式連體桁架計算結果Fig.4 Calculation Results of the Truss with Hinged Connection

        圖5 滑動支座連接方式連體桁架計算結果Fig.5 Calculation Results of the Truss with Sliding Connection

        3 連體結構的地震作用分析

        本工程建設場地抗震設防烈度為7 度,設計地震分組為第一組,場地類別為Ⅱ類,本工程屬復雜連體超限高層,其連體桁架屬于關鍵構件,采用Midas/Gen建立模型對其進行正常使用階段的受力分析(考慮豎向荷載、地震作用及風荷載),并進行中震及大震的計算分析,因本連體桁架為大跨度連體,計算分析需同時考慮豎向地震的作用(1.2DL+0.6LL+1.3SEhk+0.5SEvk),連體桁架整體的性能目標為中震彈性,大震不屈服[3-5]。模型進行整體抗震驗算時,需考慮樓板開裂對構件的不利影響,因此計算時通過板厚設零來忽略樓板剛度的作用。

        根據(jù)上述中震計算結果(見圖6~圖7),中震作用下弦桿最大軸力出現(xiàn)在地震工況下,跨中弦桿最大軸力出現(xiàn)在90°地震方向工況,約為7 325 kN;中間核心筒與B 塔連接區(qū)間的桿件軸力最大值出現(xiàn)在0°地震方向工況,約為12 680 kN;支座附近斜腹桿軸力較大,約為4 200 kN,經(jīng)結構驗算,整個桁架結構截面應力仍處于彈性階段,能滿足中震彈性及正常使用階段的設計要求[6-9]。

        圖6 豎向荷載作用下主桁架軸力Fig.6 Axial Force of the Truss under Vertical Load(kN)

        圖7 中震主桁架軸力Fig.7 Axial Force of the Truss during Moderate Earthquake (kN)

        桁架在水平向等效彈性大震作用下,及豎向地震作用下的計算結果如圖8~圖9 所示。根據(jù)計算結果,桁架在大震不屈服的工況下比中震彈性工況下內力增大較多,整個桁架受力最大處為桁架上下弦支座處,軸力達到12 680 kN,應力比達到0.85,仍滿足大震不屈服的性能目標要求[10]。

        圖8 大震0°方向主桁架軸力Fig.8 Axial Force of the Truss in 0° Direction during Rare Earthquake (kN)

        圖9 豎向地震作用下主桁架軸力Fig.9 Axial Force of Main Truss under Vertical Earthquake (kN)

        4 連體結構的溫度應力分析

        本工程連體構件采用鋼結構,受溫度作用影響明顯,需考慮溫度作用對連體結構的影響。按建筑結構荷載規(guī)范要求,分別考慮升溫和降溫20 ℃的作用,溫度作用組合系數(shù)采用0.6。驗算溫度作用時,考慮混凝土結構的收縮徐變,混凝土彈性模型乘以0.3 的折減系數(shù),鋼結構彈性模量不變。

        根據(jù)計算結果(見圖10~圖11),連體桁架在升溫及降溫的荷載工況下,構件變形最大位于連體跨中位置,而兩側塔樓抗側剛度大,變形小,但內力相對較大。升溫及降溫對桁架影響很大,斜腹桿受溫度作用影響較小,經(jīng)復核各截面能滿足設計要求。

        圖10 升溫工況下主桁架軸力及變形Fig.10 Axial Force and Deformation of Main Truss under Heating Condition

        圖11 降溫工況下主桁架軸力及變形Fig.11 Axial Force and Deformation of Main Truss under Cooling Condition

        5 連體結構的樓蓋舒適度分析

        根據(jù)文獻[3]的要求,樓蓋結構應具有適宜的舒適度,且樓蓋結構的豎向振動頻率不宜小于3 Hz。本工程連體橫向跨度大,結構剛度偏弱,采用Midas/Gen進行連體桁架的樓蓋的舒適度分析,選取連體部位處的中間層樓板作為分析對象,樓蓋的阻尼比為0.02,樓板的自振頻率及周期計算結果如表2、圖12 所示,樓板的第一階豎向自振頻率1.09 Hz。

        表2 樓板的自振頻率及周期計算結果Tab.2 Calculation Results of Natural Frequency and Period of Floor Slab

        圖12 樓蓋的第一階基本振型Fig.12 The First Fundamental Mode Shape of the Floor

        因為人們有節(jié)奏的步行活動作用步頻通常為3 Hz,齊步行進的步頻約為2 Hz,與本樓蓋基本振型的頻率相當,因此還須驗算樓板的豎向振動加速度峰值。采用彈性時程分析方法驗算人行走及跑動時引起的樓板峰值加速度,其計算結果如表3所示,由計算結果可以看出,樓板舒適度滿足要求。

        表3 樓板峰值加速度計算結果Tab.3 Calculation Result of Peak Acceleration of Floor Slab

        6 結論

        綜上所述,本工程屬于含大跨連體的特殊類超限結構,其大跨連體桁架屬于關鍵構件,設計過程中對連體結構進行了小震、中震及大震的分析,連體結構滿足中震彈性、大震不屈服的性能目標,同時對連體結構進行溫度應力及樓板舒適度分析,進一步驗算其承載力。計算結果表明,連體桁架各項指標均良好,滿足現(xiàn)行規(guī)范的相關要求。

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