某工程高空懸挑連橋結構分析與設計

葉 垚 高英赫 曹立之

（1 中國建筑設計研究院有限公司， 北京 100044；2 北京中海地產有限公司， 北京 100044）

1 工程概況

北京通州區某工程為集商業、辦公、公寓為一體的超高層城市綜合體，總建筑面積78.6 萬m2。其中相鄰兩個地塊各有一棟公寓塔樓，Ⅷ-12 地塊上公寓塔樓，結構高度127m，地上31 層；Ⅷ-13 地塊上公寓塔樓，結構高度156m，地上42 層。

在兩個公寓塔樓的12F-13F，設置交通性連橋，連橋跨度58m，樓面標高52.800，連橋高度為3.5m+4.2m=7.7m，典型寬度8.4m。連橋四周維護結構為玻璃幕墻，局部存在裝飾性鋁板。

2 方案布置

由于連橋連接的兩座塔樓，結構高差超過30m，自身動力特性和在水平荷載下的結構響應都相差較大[1]。

經過比較，采用塔樓懸挑鋼桁架的形式，搭建出高空連橋。將連橋一切為二，通過中間設置防震縫將連橋分為兩個懸挑桁架。從13#公寓塔樓（高塔）出挑的鋼桁架跨度較大，約31m；從12#公寓塔樓（低塔）出挑的鋼桁架跨度較小，約27m。連橋兩層通高，僅在12F 和14F 設有水平構件，側壁采用鋼桁架形式，連橋橫斷面為箱型[2]。以下均為連橋1 的分析結果

連橋詳細構件信息見表 1。

表 1 連橋鋼桁架尺寸

3 設計荷載取值和工況組合

本工程考慮的設計荷載有恒荷載、活荷載、風荷載、豎向地震作用。

3.1 荷載標準值

1) 恒荷載標準值：結構自重+維護結構自重。

2) 活荷載標準值：按荷載規范取值。

3) 風荷載標準值：基本風壓考慮100 年一遇，具體取值根據風洞實驗結果。

4) 豎向地震作用：8 度抗震區，長懸臂結構，采用彈性時程法計算豎向地震作用，包括設防地震和罕遇地震。

3.2 荷載工況組合

按照荷載規范和抗震規范的要求，進行了以上所有荷載工況的組合，包括無地震組合和有地震組合。其中，有地震組合考慮豎向地震的設防地震和罕遇地震的作用。

3.3 結構計算分析

高空懸挑連橋有一個重要的特點，就是連橋的支座是塔樓，而不是可以近似看成固定支座的地面。

為了考察塔樓支座條件對懸挑連橋的影響，本工程使用SAP2000 建立了單體模型，使用ETABS 建立了整體模型。

3.4 風荷載

連橋處于高空，側風荷載需精確考量。根據風洞試驗結果，連橋側面迎風面最大體形系數是0.5，背風面最小體形系數-0.6。為了更精確的計算風振系數，進行了ANSYS 風振分析，得到連橋側面迎風面的最大風壓為1.68KN/m2，背風面最大風吸力為-1.34 KN/m2。

3.5 豎向地震

按照《抗震規范》5.3 條，懸挑桁架應計入豎向地震作用。地面的豎向震動并不會直接施加于懸挑連橋上，而是需要通過塔樓傳遞。在整體ETABS 模型底部施加地震作用，通過豎向時程法，得到懸挑連橋各節點在整個時間歷程中的絕對最大加速度反應，以此確定各節點的豎向地震系數，詳見圖 。地震波采用建研科技提供的三條Z 向地震波。

將懸挑連橋的質量集中于各個節點，與得到的地震系數相乘，即為各節點豎向地震的作用力。在模型中施加節點荷載，以此計算豎向地震作用。

圖 1 整體模型中連橋各節點豎向地震系數

可以看出，豎向地震作用經過塔樓的傳遞，與懸挑連橋的鞭梢效應疊加后，最大峰值加速度已達到0.46g，遠大于多遇地震的豎向峰值加速度為0.045g。從工況組合的結果看，主要桿件的控制工況組合，也是豎向地震占主導的工況組合。

3.6 防連續倒塌

由于連橋處于高空，局部破壞不僅會對連橋自身的結構安全產生影響，更會產生嚴重的次生災害。本工程采用靜力拆桿法進行防連續倒塌分析。荷載組合為：1.0 恒載+0.5 活載。一根根部弦桿失效，應力比0.79；一根根部腹桿失效，應力比0.56。可見對于懸挑桁架，一根根部弦桿與一根根部腹桿失效，均不會引起結構連續倒塌。

3.7 連橋防震縫寬度與舒適度

1) 防震縫寬度

連橋之間的防震縫寬度，采用大震彈性反應譜法、大震極限位移角法和抗震規范確定防震縫方法。其中，防震縫寬度按下式計算，

式中，0x 為防震縫寬度，1#x 為1#連橋端部沿軸向位移，2#x 為2#連橋端部沿軸向位移。

大震彈性反應譜法為206mm，大震極限位移角法為650mm，《抗震規范》方法為250mm。取大震彈性反應譜法和大震極限位移角法結果的平均值，即450mm較為合適，同時也滿足《抗震規范》的要求。

2) 舒適度計算

根據懸挑連橋自振特性的分析結果，豎向自振頻率f>3Hz，滿足《高層建筑混凝土結構技術規程》關于樓蓋結構豎向震動頻率的要求。

4 節點

節點的安全可靠是鋼結構設計的重點。本工程懸挑連橋的桁架節點采用空間相貫節點，連橋桿件與支座（塔樓豎向構件）連接采用設置加勁板的等強節點。

相貫節點強度采用《鋼管結構技術規程》規定的方法進行驗算。根據空間桿件的交匯形式，分為平面T、Y 和X 形，有間隙或無間隙的K 形和N 形。破壞形式分為主管表面塑性破壞，主管側壁破壞等。通過計算，得到節點的最低承載力仍然大于桿件的最大設計內力值1.6 倍以上，證明節點是安全可靠的。

5 結論

1. 由于兩個塔樓質量和剛度差別較大，采用雙懸挑桁架對接的方式，搭建空中連橋，避免了塔樓和連橋之間的復雜影響。

2. 8 度抗震設計時，懸挑連橋的計算應考慮豎向地震作用的影響。取時程分析的各節點最大絕對加速度，作為連橋的豎向地震作用系數。作用系數在懸挑端最大，支座處最小，但均大于輸入的地震波豎向加速度峰值。