易凌，郭衛(wèi)青

（江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,江西贛州341000）

某鋼結(jié)構(gòu)連廊的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

易凌，郭衛(wèi)青

（江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院,江西贛州341000）

針對(duì)一個(gè)工程實(shí)例，給出了設(shè)計(jì)思路、分析要點(diǎn)及連接節(jié)點(diǎn)，并通過SAP2000與3D3S軟件對(duì)結(jié)構(gòu)分析對(duì)比，指出了設(shè)計(jì)的要點(diǎn)及需要注意的問題，為類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考.

連廊；空間計(jì)算；結(jié)構(gòu)分析；變形；支座

0 引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展、建筑造型的日新月異，建筑師們用自己獨(dú)特眼光把美好的景色融入建筑物.空中連廊是近十幾年發(fā)展起來的新型建筑形式，尤其是在大型商場(chǎng)、學(xué)校、醫(yī)院等人流密集的建筑群中，連廊既起到疏導(dǎo)交通的作用，也可作為觀光臺(tái).另外，它使建筑具有獨(dú)特的外形，帶來強(qiáng)烈的視覺效果[1-3].文中應(yīng)用3D3S與SAP2000對(duì)鋼桁架連廊進(jìn)行了比較分析，為以后的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考.

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

江西理工大學(xué)逸夫?qū)嶒?yàn)樓位于贛州市客家大道156號(hào)，是一座地下1層地上6層連接結(jié)構(gòu)，建筑總高度21.5 m,東西方向長(zhǎng)76 m，南北方向?qū)?3.9 m，分為南北兩主樓，兩主樓在第5層通過鋼結(jié)構(gòu)連廊相連.圖1和圖2分別為建筑效果圖和主體結(jié)構(gòu)平面布置圖.連廊高3.6 m，跨度20 m.連廊主體采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，外包鋁塑板，側(cè)墻及屋面均采用中空鋼化玻璃.工程地震設(shè)防烈度為6度，恒載標(biāo)準(zhǔn)值為2 kN/m2，活荷載標(biāo)準(zhǔn)值為3.5 kN/m2，基本風(fēng)壓為0.3 kN/m2，基本雪壓0.35 kN/m2.

圖1 建筑效果圖

圖2 主體結(jié)構(gòu)平面布置圖

1.2 鋼桁架連廊支座及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連廊作為兩主樓之間的聯(lián)系構(gòu)件，其自身剛度相對(duì)于主樓較小，在遇到水平地震作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的地震反應(yīng).如果鋼桁架連廊與混凝土框架結(jié)構(gòu)采用剛性連接支座，在遇到水平地震作用時(shí)，只能依靠其自身剛度協(xié)調(diào)兩主樓之間的變形，通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)靠近支座的桿件受力較大，桿件應(yīng)力比大于1.為了協(xié)調(diào)地震作用下連廊的位移與主樓的位移，連廊與主樓的連接只能采用柔性連接方式[4-12].柔性連接方式通常有兩種，一種是橡膠支座，另一種是鋼板開長(zhǎng)圓孔的普通滑動(dòng)支座.通過設(shè)計(jì)過程中不斷的試算和總結(jié)，以及施工單位和使用單位的信息反饋，認(rèn)為采用一端鉸接（圖3）、一端滑動(dòng)的支座較好（圖4）.這種支座的主要優(yōu)點(diǎn)為：①構(gòu)造簡(jiǎn)單，制作容易，施工簡(jiǎn)單方便，安裝快捷；②節(jié)約鋼材，造價(jià)經(jīng)濟(jì)，不需要特別維護(hù)，后期維護(hù)費(fèi)用極低.鉸接支座做法為上弦桁架直接擱置在框架柱的外伸牛腿上，底部鋼板只開圓孔.滑動(dòng)支座也擱置在框架柱的外伸牛腿上，但桁架底部鋼板上開有長(zhǎng)圓孔，能產(chǎn)生單向滑動(dòng).

圖3 鉸接支座剖、立面圖

圖4 滑動(dòng)支座剖、立面圖

連廊的結(jié)構(gòu)形式為兩榀矩形桁架，桁架所有桿件均采用H型鋼，為了提高大跨度桁架的側(cè)向穩(wěn)定和抗扭轉(zhuǎn)效應(yīng).在連廊上弦平面布置部分交叉斜撐，形成水平桁架，由此構(gòu)成水平幾何不變體系.同時(shí)在上弦與下弦之間每隔4 m，采用8號(hào)槽鋼設(shè)置剪刀撐一道，形成豎向支撐結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)連廊形成一個(gè)空間幾何不變體系，有利于抗扭.鋼桁架連廊三維空間結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖5.連廊結(jié)構(gòu)計(jì)算分析荷載分別為：①恒荷載;②活荷載;③風(fēng)荷載；④地震作用.荷載組合時(shí)，分別考慮了水平和豎向地震作用組合工況，其他荷載組合按照GB50009-2001(2006年版)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[13]的要求進(jìn)行組合.各桿件的截面尺寸如表1.

圖5 鋼桁架連廊結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

表1 鋼桁架尺寸

1.3 連廊的結(jié)構(gòu)分析

主體和連廊之間采用了一端鉸支座和一端滑動(dòng)支座的柔性連接方式，減小了主體和連廊間的相互影響，由此可將連廊部分單獨(dú)建模計(jì)算.根據(jù)計(jì)算模型，采用了基于有限元的大型結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件SAP2000對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了空間整體分析，同時(shí)采用同濟(jì)大學(xué)的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件3D3S進(jìn)行校核.鋼桁架各根桿件均選用空間梁?jiǎn)卧M.

1.3.1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

結(jié)構(gòu)在強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)各截面的最大內(nèi)力和位移都與結(jié)構(gòu)的自由振動(dòng)時(shí)的頻率和振動(dòng)形式密切相關(guān)，因而研究自振周期和振型是研究強(qiáng)迫振動(dòng)的關(guān)鍵步驟.動(dòng)力計(jì)算分為兩大步驟：其一是結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)分析，即計(jì)算自振周期和振型；其二是強(qiáng)迫振動(dòng)分析，即計(jì)算地震作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移及應(yīng)力比等相關(guān)物理量.

SAP2000程序提供了特征向量和Ritz向量方法進(jìn)行振動(dòng)求解.研究表明：基于一個(gè)特定荷載相關(guān)的Ritz向量組的動(dòng)力分析比基于同樣數(shù)量的自由振動(dòng)振型能得到更精確的結(jié)果.所以文中將采用Ritz向量方法對(duì)空間桁架計(jì)算模型進(jìn)行模態(tài)分析.

由振型疊加可知，結(jié)構(gòu)在任一時(shí)刻所受的地震作用等于該時(shí)刻各振型地震作用之和.由于每一振型地震作用達(dá)到最大值的時(shí)刻并不相同，所以采用振型疊加法求結(jié)構(gòu)的最大地震作用也不同.按照抗震規(guī)范，采用SRSS方法（中國(guó)）進(jìn)行振型組合來求地震作用.

采用SAP2000程序?qū)B廊結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征進(jìn)行計(jì)算，得到前9個(gè)周期，前4個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)振型見圖6～圖9.現(xiàn)取前5個(gè)周期進(jìn)行比較，如表2所示.結(jié)構(gòu)最大自振周期為0.349 s，振動(dòng)方向?yàn)闄M向（一階Y向）平動(dòng)，說明結(jié)構(gòu)橫向剛度較弱，豎向剛度較好.第二、三振動(dòng)形式分別為扭轉(zhuǎn)和豎向平動(dòng).采用3D3S軟件進(jìn)行的計(jì)算結(jié)果是，結(jié)構(gòu)最大自振周期為0.3656 s，振動(dòng)方向也為橫向（一階Y向）平動(dòng)，第二、三振動(dòng)形式分別為豎向平動(dòng)和扭轉(zhuǎn).從最大自振周期上看兩者誤差在5%之內(nèi)，第二、第三周期誤差較大，而且振動(dòng)方向有區(qū)別.從表2中可以看出，兩種軟件得出的周期和振型基本相同，誤差在較小范圍內(nèi)，這些誤差的存在可能是模型的誤差和參數(shù)誤差所導(dǎo)致的，但總體分析結(jié)果是一致的.

圖6 橫向振型

圖7 扭轉(zhuǎn)振型

圖8 豎向振型

表2 結(jié)構(gòu)自振周期比較

1.3.2 支座反力和位移分析

為了驗(yàn)證剛性連接支座和柔性連接支座對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，分別對(duì)兩種方案進(jìn)行了比較，比較了地震作用組合下支座反力和位移，具體數(shù)據(jù)見表3和表4（表中“/”是分隔符，表示兩種軟件計(jì)算的不同結(jié)果）.

表3 剛接時(shí)支座反力/kN（SAP2000/3D3S）

表4 柔性連接時(shí)支座反力/kN與位移/mm（SAP2000/3D3S）

由上表可以看出，與剛性連接方案相比，沿跨度方向的水平支座反力有明顯降低.2和4號(hào)支座由鉸支座改為柔性滑動(dòng)支座后，釋放了300 kN的力，然而水平位移只有3.4 mm左右.因此可以認(rèn)為滑動(dòng)支座可以顯著降低水平反力，減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力的作用.

1.3.3 應(yīng)力比和變形分析

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，考慮到結(jié)構(gòu)跨度較大，活荷載較大，所以將應(yīng)力比最大值限制在0.75.結(jié)構(gòu)在進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)下計(jì)算后的撓度值也應(yīng)該在規(guī)范的允許范圍內(nèi)，同時(shí)還考慮到窗和走廊頂部都是鋼化玻璃，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形要求較高.根據(jù)玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范（JGJ 102-2003）[14]規(guī)定，吊掛全玻幕墻的主體結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)有足夠的剛度，采用鋼桁架或鋼梁作為受力構(gòu)件時(shí)，其撓度限值df，宜取其跨度的1／250.通過兩種軟件的計(jì)算得出撓跨比均滿足規(guī)范要求，計(jì)算結(jié)果見表5和表6（表中“/”是分隔符，表示兩種軟件計(jì)算的不同結(jié)果）.

表5 各桿件應(yīng)力比

表6 各工況下?lián)隙群臀灰疲⊿AP2000/3D3S）

2 結(jié)論

對(duì)空間連廊桁架結(jié)構(gòu)用SAP2000與3D3S進(jìn)行了分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）連接方式.連廊與主體結(jié)構(gòu)的連接方式有很多種，具體采用何種方式連接應(yīng)取決于連廊的的跨度、剛度和連廊所處的位置等因素.對(duì)于跨度較小，位置不高的連廊結(jié)構(gòu)可以采用一端鉸接、一端滑動(dòng)的連接方式.這種節(jié)點(diǎn)方式不僅施工方便，而且設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)也與計(jì)算模型吻合，同時(shí)滑動(dòng)支座水平位移也不大，對(duì)結(jié)構(gòu)也有利.

（2）結(jié)構(gòu)分析方式.對(duì)采用剛性連接方式的連廊結(jié)構(gòu)，需要對(duì)連廊與主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模分析.對(duì)采用柔性連接方式的連廊結(jié)構(gòu)，則可以采用對(duì)連廊單獨(dú)建模，得到支座反力后，再作為荷載對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算.

（3）結(jié)構(gòu)軟件.大跨度空間桁架結(jié)構(gòu)需采用三維空間計(jì)算軟件對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，從而確保桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性和合理性.大跨度空間結(jié)構(gòu)還需要采用兩種以上三維空間計(jì)算軟件進(jìn)行對(duì)比和校核.采用這種方式能使設(shè)計(jì)者對(duì)結(jié)構(gòu)的性能更加了解，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱部位做出精準(zhǔn)的判斷.

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[14]JGJ 102-2003.玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范[S].

Structural analysis and design of a steel linked structure

YI Ling,GUO Wei-qing

(Faculty of Applied science,Jiangxi University of Science and Technology,Gangzhou 341000,China)

Thedesignthought,pointsofanalysisandconnectednodesaregivenonacertainproject.Theperformance of structure is analyzed and contrasted by two software named SAP2000 and 3D3S separately.The keypoints in design and what should be emphasized during designing as reference for designing such project are stated.

linked structure；three-dimensional calculation；structural analysis；deformation；support abutment

TU318

A

2011-10-09

江西理工大學(xué)校級(jí)科研資助項(xiàng)目（JXXJ11151）

易凌（1976-），男，講師，主要從事鋼結(jié)構(gòu)、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震等方面的研究，E-mail：ying76326@163.com.

2095-3046（2012）03-0043-04