某钢桁架低位连体结构分析与设计

  向  涛，  贺  俊，  胡晓娟，  袁天义

  （成都基准方中建筑设计有限公司，成都610031）

[摘要]成都某项目为双塔低位连体结构。连接体跨度、高度、宽度较大，受力较为复杂。为了满足建筑功能要求，连接体部分选用钢桁架结构体系。根据工程特性，对结构设定了适宜的性能目标，针对连接体钢桁架进行了设防烈度地震下中震弹性和大震不屈服的计算分析；针对桁架结构关键节点进行了补充分析；对连体舒适度进行了专项分析。分析结果表明，结构受力和抗震性能满足要求，安全可靠、使用舒适并具有较好的经济性。

1工程概况

  本工程位于成都市青羊区，是以办公、酒店、商业为主的大型综合开发项目。项目规划总用地面积11  119. 04m2，总建筑面积18万m2，地块中部被一条30m的宽城市规划道路横穿。西塔楼为32层酒店与办公，建筑高度为140.4m，东塔楼为40层写字楼，建筑高度为171. 5m，均采用框架一核心筒结构；地面以上东、西塔楼在5~8层通过过街连廊相连，形成连体结构，过街连廊以下为市政道路。地下设5层地下室，其中东西塔楼地下2层~地下5层地下室相通。建筑效果图如图1所示。

  本工程设计基准期为50年，结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0．lg，设计地震分组为第三组，场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0. 45s，抗震设防类别为丙类。50年一遇基本风压为0. 3kN/m2，地面粗糙度类别为C类，结构体形系数、风压高度变化系数、风振系数等均按《建筑结构荷载规范》( GB 50009-2012)取值。

2  连接体结构布置

  本工程连接体为钢桁架结构体系，位于塔楼5～8层，标高为20. 350~34. 450m，总高度为14. Im，跨度为45m，宽度为37. 7m。其中6层底（5层顶）、7层顶（8层底）为主受力桁架结构，5层下吊于桁架。连接体的平面、立面及横桥向剖面布置示意见图2—4。

  本工程桁架受力杆件采用焊接矩形钢管，次梁及水平支撑采用焊接H型钢梁，所有钢材均选用Q345B。限于篇幅，仅选取桁架1和桁架2部分主体构件列出尺寸，见表1。

2.1连接体与塔楼连接

  连接体与塔楼的连接方式在概念上可分为弱连接与强连接。本工程为低位连体结构，塔楼相对位移量不是很大，可采用弱连接。但考虑到本工程塔楼高度相差31. Im，双塔楼平面基本对称，经过计算分析及参考相关研究可知，强连接能一定程度地改善塔楼抗震性能。基于整体结构安全可靠度及业主不设缝要求，本工程钢连接体与主楼采用强连接方式，连接体桁架杆件固结于主楼。

  主楼范围内不再设置环带腰桁架，主楼内型钢混凝土梁与型钢混凝土柱及预埋钢骨核心筒组成空腹桁架，作为连接体桁架的延续，形成整体受力结构体系，详见图5。

  本工程各楼层现浇混凝土板与相应钢构件叠合，剪力连接件选用直径为19mm、长度为lOOmm的栓钉，剪力钉排布按照规范要求划分为多个剪跨区进行了计算校核，本文不作详述。

2.2连接体层水平支撑

  为了保证连接体能够有效传递水平力，协调两塔楼的变形，连接体楼板厚度取为150mm，钢梁上翼缘设置剪力钉，与混凝土形成叠合构件，共同受力。

  罕遇地震作用下，楼板的破坏使得结构在水平面内刚度迅速减弱。为了保证连接体钢桁架在罕遇地震作用下具有足够的平面内刚度，使结构安全可靠，本工程在楼板下增设水平斜撑。水平斜撑与楼板脱开，栓接于次梁、桁架及塔楼，从而形成整体水平刚度。同时，在多遇和设防烈度地震作用下，水平斜撑与之共同提供水平刚度，能一定程度地改善结构受力。水平斜撑平面布置示意详见图1，立面布置示意详见图6。

3  结构整体计算分析

  本工程连接体部分为钢桁架结构体系，为了达到规范规定的三个水准设防目标，参照《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3-2010)（简称高规），将连接体钢桁架抗震性能目标定为C级。连接体钢桁架体系及与塔楼相连构件按小震弹性、中震弹性、大震不屈服进行设计计算。采用YJK软件进行整体计算分析；采用ETABS及MIDAS Building软件进行补充分析和复核。

3.1地震作用

  本工程设防烈度为7度(0.1g)，场地类别为Ⅱ类，设计地震分组为第三组，各地震动参数按照规范取值。结构虽为低位连体结构，但因连接体跨度较大，本工程计算时仍偏安全地考虑了竖向地震作用。

3.2计算分析建模处理

  根据本工程实际情况，建模过程中做了以下模拟，以使计算贴合实际，保证结构安全。

  (1)本工程主楼施工完成后，再进行连接体施工，其中连接体5层为下吊层。在模型中施工阶段设置为：主楼各层一连接体6，7层桁架→连接体5层。

  (2)计算时，将桁架体系所在层及其上下相邻楼层楼板定义为弹性板，以计算出设计需要的杆件内力。大震时补充分析零刚度板假定下的杆件内力。

  (3)对连接体8层后期平台和其他附属设施做了预设计，计算时充分考虑了此部分荷载；对连接体可能存在的功能性调整进行了荷载包络输入。

  (4)桁架上节点构造附加自重为1~2.79t，不能忽略，建模中将其作为荷载进行了加载。

  (5)本工程连接体钢桁架体系地震作用下计算包含所有塔楼的整体模型，以准确考察桁架杆件内力。

  (6)小震弹性、中震弹性、大震不屈服设计计算在各自电算模型及校核过程中应按照相关规范和研究对计算参数合理输入，以保证性能化设计的正确实施。中震弹性及大震不屈服设计要求详见表2。

3.3主要分析结果

  小震、中震、大震作用下，整体计算结果中的塔楼和连接体部分都满足相应规范要求，本文不作详述。

  连接体钢桁架体系构件经过多次计算调整，合理优化了截面。并根据高规第10.5.5条适当调整了桁架1及桁架3的主要构件截面，增强了连接体抗扭能力。本工程连接体5层吊杆固接于主桁架，在使用荷载及地震工况下有较大弯矩，对其做了合理加强。

  小震弹性计算时，连体结构大部分杆件应力比为0.5~0.7；中震弹性计算时，连体结构杆件应力比为0.6~0.9；大震不屈服计算时，所有杆件应力比均小于1.0。桁架各构件满足性能设计要求。本文选取了桁架内力最大的桁架2，列出了半跨桁架杆件在各地震工况下的应力比，详见图7～9。图中所有杆件第一个数字均为应力比，而腹杆第二个数字和第三个数字分别为X向和y向的稳定应力比，上、下弦杆及下吊层梁第二个数字为稳定应力比（在此处电算未作验算，输出为0. 00），第三个数字为剪切应力比。

  结构总体挠度最大值为54. 84mm，约为//850；长跨次梁挠度最大值约为//600；短跨次梁挠度最大值约为//1500，满足相应规范的要求。

4  结构构件设计

  本工程构件类型多样，节点相对复杂，对本工程中构件及节点设计的部分工作做简单介绍。

4.1桁架体系杆件稳定性校核

  本工程钢连廊抗震等级为一级，钢材为Q345。通过调整结构局部布置、调整构件截面或布置加劲板件，各类构件长细比、板件宽厚比均满足相应规范要求，详见表3；且经软件计算和手算复核，所有杆件稳定承载力验算合格。故连廊部分所有杆件安全可靠。

4.2连接体与主楼连接节点设计计算

  本工程运用MIDAS FEA软件进行了连接体与主楼连接节点分析，计算模型计入混凝土及钢筋，计算时认为混凝土与钢骨有效连接，未定义钢骨混凝土滑移面。图10～12为本工程内力最大的节点在中震工况下的应力云图。由图可知，钢骨应力大部分小于150MPa，局部最大值为212. 7MPa，较MIDAS/Gen仅计入钢骨计算时小；混凝土应力基本上都控制在23MPa以下，由于未定义钢-混凝土滑移面，混凝土内部存在局部点位应力达到50MPa;钢筋应力大部分处于150MPa以下。由计算结果可以看出，节点安全可靠，承载力储备合理。在施工图设计时，根据计算结果，构造上将部分节点区域加劲形成的箱体及内力较大的桁架2边端压杆灌注混凝土，以改善构件性能。

4.3连接体中间节点设计计算

  本工程中间节点类型较多，参考相关工程及研究，经过计算比选形成施工图设计。选取各类型部分构件做了节点应力分析，所有节点受力及构造均满足规范要求。图13为桁架2某上弦杆节点中震工况下的应力云图，节点大部分区域应力小于154MPa;局部区域应力值较大，在150~220MPa之间；此节点应力最大值为340MPa，发生在计算模型约束端边缘，为计算模拟不失真区域。图14为桁架2竖吊杆与5层梁节点中震工况下的应力云图，节点应力大部分小于lOOMPa，吊杆与梁连接角点区域应力值较大，在100~llOMPa之间。

4.4楼板应力及舒适度计算

  本工程由于连接体跨度大，楼板受力较为复杂，温度应力不可忽略，故对连接体层楼板进行了应力分析，本文选取8层楼板进行分析，楼板应力区间为[ -7.4MPa，6.SMPa]，其中连接体中部应力较大，在5—7MPa之间。传统方法计算的次梁楼板体系振动频率和加速度均满足高规第3.7.7条的相应限值要求。

  同时运用MIDAS/Gen软件对5~8层钢结构连接体楼板舒适度做了补充分析。截取连接体及与主楼相应楼层作为分析模型，第1阶竖向振动周期为第6阶模态，频率为3. 685 0Hz，大于3Hz。

  采用MIDAS/Gen分析多工况下的楼板舒适度，详见表4，分析结果满足高规要求。

5  结语

  本工程连接体钢结构跨度、宽度、高度都较大，结构空间布置受限于建筑使用功能，受力较为复杂。设计中通过合理的构造布置，采用结构性能化设计分析方法，并对关键部位做了细部补充分析，使连体结构整体和局部都安全可靠、使用舒适，经济合理。