某鋼桁架連接體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

【摘要】長沙某工程為雙塔連體結(jié)構(gòu)，連體結(jié)構(gòu)的連接體跨度較大、高度較高，受力復(fù)雜。根據(jù)工程特性，對結(jié)構(gòu)設(shè)定了合理的性能目標(biāo)，針對連接體鋼桁架進(jìn)行了相應(yīng)計(jì)算分析;針對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、溫度作用、舒適度進(jìn)行了專項(xiàng)分析。分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)受力和抗震性能滿足相關(guān)規(guī)范要求。

【關(guān)鍵詞】鋼桁架;連體結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

18.

1、工程概況

本工程位于長沙市，是以大開間辦公為主的商業(yè)商務(wù)樓，建筑面積約 13.5萬平方米，采用南、北雙塔連體建筑。連體位于 4-7 層，與南、北塔樓相連。 南塔高88.9 米，北塔高 99.8 米。兩塔平面布置基本相同，均采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)。 地下室四層，高度19.9 米。

本工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)安全等級二級，抗震設(shè)防烈度6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，場地類別Ⅱ類，場地特征周期為0.35s，抗震設(shè)防類別乙類[1]?；狙?.45kN/m2，基本風(fēng)壓0.35kN/m2，地面粗糙度為C類[2]。本工程進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。按規(guī)范導(dǎo)算風(fēng)荷載值與風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)荷載值包絡(luò)設(shè)計(jì)。

2、連接體結(jié)構(gòu)布置

連接體采用鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，位于4～7層，標(biāo)高為14.4～32.4，總高度18m，跨度40.4m，寬度38.2m。由五榀主桁架組成，桁架弦桿采用焊接H900x500x20x40，腹桿采用焊接箱型500x30，材質(zhì)均為Q345GJB[3]。在4F，6F，8F平面內(nèi)設(shè)置水平支撐，使連接體樓面內(nèi)的水平剪力由樓板和面內(nèi)支撐體系共同承擔(dān)。連接體的底層（4F）、頂層（8F）樓板厚度180mm，中間層樓板厚度150mm。連接體的平、立面示意見圖1～2。

連接體與塔樓的連接方式可分為弱連接與強(qiáng)連接[4]。本工程考慮到南北兩塔平面布置基本對稱，兩塔高度相差不大，當(dāng)?shù)臀贿B接體采用剛性連接時(shí)，連接體能協(xié)調(diào)兩塔樓變形，一定程度改善塔樓抗震性能，故連接方式采用強(qiáng)連接方式。

3、結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析

根據(jù)規(guī)范 [5]相關(guān)規(guī)定將連接體抗震性能定為C級。按小震彈性、中震彈性、大震不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)。本工程考慮連接體跨度較大，計(jì)算時(shí)，偏安全地考慮了豎向地震作用。

本工程采用YJK、STRAT軟件進(jìn)行整體計(jì)算分析;采用midas Gen、ABAQUS等軟件進(jìn)行補(bǔ)充分析和復(fù)核。對比不同力學(xué)模型的分析結(jié)果表明兩者吻合較好。小震、中震、大震作用下，整體計(jì)算結(jié)果中的塔樓和連接體部分均滿足相應(yīng)規(guī)范要求。連接體鋼桁架桿件最大應(yīng)力比：小震彈性計(jì)算時(shí)，最大應(yīng)力比為0.80;中震彈性計(jì)算時(shí)，最大應(yīng)力比為0.85;大震不屈服計(jì)算時(shí)，最大應(yīng)力比均不超過1。桁架各構(gòu)件滿足性能設(shè)計(jì)要求。

連接體撓度最大值為27.2mm，約為L/1485，滿足相應(yīng)規(guī)范的要求。

4、結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

連接體鋼桁架抗震等級為一級，經(jīng)計(jì)算復(fù)核，所有桿件穩(wěn)定承載力滿足規(guī)范要求。

連體桁架節(jié)點(diǎn)處桿件截面類型較多，不同桿件成多角度交匯，受力復(fù)雜。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，取YJK模型計(jì)算得到的大震作用下節(jié)點(diǎn)最不利內(nèi)力，荷載組合采用1.0恒載+0.5活載+1.0地震作用（大震），采用ABAQUS進(jìn)行計(jì)算分析。分析模型不考慮混凝土的作用，所有的內(nèi)力均由型鋼承擔(dān)。選取具有代表性的五個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了分析。分析結(jié)果顯示，除個(gè)別板件連接的角點(diǎn)出現(xiàn)應(yīng)力集中外，節(jié)點(diǎn)區(qū)應(yīng)力在258MPa以下，應(yīng)力小于材料屈服強(qiáng)度。節(jié)點(diǎn)區(qū)無塑性應(yīng)變，節(jié)點(diǎn)整體處于彈性狀態(tài)，滿足大震不屈的性能目標(biāo)。

連接體跨度大，樓板受力較為復(fù)雜，溫度作用不可忽略，故對連接體層進(jìn)行了溫度應(yīng)力分析。經(jīng)計(jì)算分析，在溫度作用下，因連接體樓板離塔樓嵌固支座較近，受約束較大，正應(yīng)力較大，但絕大部分樓板應(yīng)力均小于樓板混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，僅局部洞口邊、柱頭處應(yīng)力集中，正應(yīng)力略大于樓板混凝土的抗拉強(qiáng)度，故對樓板洞口及邊角部位進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。

同時(shí)對連接體樓板舒適度做了補(bǔ)充分析。截取模型中連體所在樓層及其下一層作為樓板豎向振動舒適度分析模型。經(jīng)計(jì)算分析，豎向振動頻率為4.45Hz，最大豎向振動加速度峰值為20.78mm/s2，滿足規(guī)范[5]要求。

連接體與塔樓連接處還采取其它抗震加強(qiáng)措施如下：

（1）連接體結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件伸入塔樓內(nèi)2跨（伸至塔樓內(nèi)的筒體）并與筒體可靠連接。塔樓內(nèi)2跨同樣采用鋼結(jié)構(gòu)。

（2）塔樓內(nèi)與連接體相連的框架柱配置型鋼，確保連接節(jié)點(diǎn)安全可靠，箍筋全柱段加密配置，抗震等級由二級提高至一級，保證框架柱具有足夠的延性。桁架弦桿與柱內(nèi)鋼骨在工廠采用等強(qiáng)全熔透焊，焊縫等級為一級。

（3）連接體與塔樓的連接節(jié)點(diǎn)區(qū)內(nèi)柱鋼骨板厚局部加厚，由30mm加厚至35mm，進(jìn)一步確保節(jié)點(diǎn)整體處于彈性狀態(tài)。

結(jié)語：

本工程連接體跨度較大、高度較高，受力復(fù)雜。設(shè)計(jì)中通過合理的構(gòu)造布置，采用結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)分析方法，并對關(guān)鍵部位做了細(xì)部分析，使連體結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)整體抗震性能目標(biāo)預(yù)期并安全可靠，使用舒適。

參考文獻(xiàn)：

[1]建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50017-2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社

[2]建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范：GB50009-2012[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[3]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB50017-2003[S].北京：中國計(jì)劃出版社.

[4]徐培福.復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.

[5]高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程：JGJ3-2010[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社.

作者簡介：

歐定海（1983-），男，漢族，湖南長沙人，本科，工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。