某大跨雙層鋼桁架連廊設(shè)計及研究

張明坤，李健榮，李小利

（中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司，西安710054）

1 工程概況

西安市某工業(yè)園區(qū)2 棟框架結(jié)構(gòu)塔樓1 層、2 層、3 層層高分別為4.20m、3.80m、4.00m，2 層與3 層采用鋼連廊連接，跨度為22.00m，軸線寬度為8.10m，連廊立面采用玻璃幕墻（見圖1）。

圖1 連廊立面示意圖

連廊采用鋼桁架的結(jié)構(gòu)形式，樓面及屋面板均采用現(xiàn)澆混凝土板，為滿足建筑需求，除桁架端頭門式鋼架和弦梁采用H型鋼外，其余構(gòu)件均為箱形截面，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造較一般桁架復(fù)雜【1】。本工程抗震設(shè)防烈度為8 度，地震分組為第二組；基本風(fēng)壓為0.35kN/m2，樓面恒荷載1.50kN/m2，活荷載為3.50kN/m2【2】。

2 連廊結(jié)構(gòu)布置及設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)布置

連廊采用以下2 種鋼桁架布置方案進(jìn)行對比。桁架布置方案如圖2 所示。布置方式的比較：（1）圖2b 桁架端頭處兩節(jié)中間弦桿受力遠(yuǎn)大于圖2a；（2）圖2b 桁架端頭兩節(jié)上弦內(nèi)力變化較大；（3）根據(jù)建筑外觀考慮，外掛玻璃幕墻，圖2a 較整齊美觀。故選用圖2a 布置方案。

由于斜腹桿與豎腹桿內(nèi)力差別較大，設(shè)計中斜腹桿與豎腹桿可區(qū)別對待。由于樓面采用現(xiàn)澆混凝土樓板，面內(nèi)整體剛度足夠大，只需在桁架上、中間、下弦的間接節(jié)點(diǎn)處設(shè)置分割混凝土板的鋼梁即可。上、中間、下弦桿同腹桿組成整體桁架承擔(dān)豎向荷載，同時斜腹桿與上、中間、下弦桿的夾角應(yīng)在30°～60°范圍內(nèi)接近45°較為合理【3】。

門式剛架布置在連廊桁架兩端，承擔(dān)整個連廊桁架一半的風(fēng)荷載和連廊桁架一半的豎向荷載。門式剛架是上、中間、下弦水平支撐的支點(diǎn)，上、中間、下弦水平支撐將連廊桁架的橫向荷載通過桁架兩端的門式剛架傳向支座。所以，門式剛架的梁柱的連接宜為剛接。

圖2 桁架布置方案

2.2 支座設(shè)計

由于連廊所連接廠房僅為3 層，連廊將2～3 層連接（連廊支座底標(biāo)高約為5m），低矮的弱連接架空連廊可采用滑動鉸支承，支座滑移量應(yīng)能滿足2 個方向在罕遇地震作用下的位移要求，并應(yīng)采取防墜落、撞擊措施，為防止大震作用下滑動支承的架空連廊墜落、撞擊，其最小支座寬度應(yīng)能滿足架空連廊兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)大震作用下該高度處彈塑性水平變形要求。

由于兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)在地震作用下最不利與最大相對變形不一定同時到達(dá)，參考IBC2003《美國建筑標(biāo)準(zhǔn)》第1620.4.5款，采用隨機(jī)振動方法，架空連廊與兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)在連廊跨度方向防震縫寬度WC為【4】：

式（1）～式（3）中，WC為連廊跨度方向防震縫寬；Δ1、Δ2為連接連廊高度處，沿連廊跨度方向大震彈塑性水平位移；Δ1E、Δ2E為連廊高度處，沿連廊跨度方向彈性水平位移；β大為大震作用與小震作用之比；系數(shù)2 為計及大震作用下結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性階段后結(jié)構(gòu)彈性剛度退化影響。

依據(jù)式（1）～式（3）：

廠房1 對應(yīng)點(diǎn)小震作用下位移角Δ1E：=25mm；

廠房2 對應(yīng)點(diǎn)小震作用下位移角Δ2E：=27.4mm；

連廊兩側(cè)選取隔震橡膠支座見下圖3。

圖3 隔震橡膠支座詳圖

2.3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計

除桁架端頭門式鋼架和弦桿采用H 型鋼外，其余構(gòu)件均為箱形截面，其節(jié)點(diǎn)連接較為困難，斜腹桿與上、中間、下弦桿連接時，由于桁架高度限制，斜腹桿焊縫重疊，偏心又超過標(biāo)準(zhǔn)限制，同時考慮箱形截面焊接方便，盡量降低焊接殘余應(yīng)力影響，斜腹桿與弦桿連接采用半多邊形焊接設(shè)計，獨(dú)立豎直腹桿與弦桿直接焊接。其中，斜腹桿與弦桿連接點(diǎn)如圖4 所示。

在節(jié)點(diǎn)計算和設(shè)計時，需注意以下問題：（1）半多邊形連接節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)域加強(qiáng)設(shè)計。（2）門式鋼架柱與下弦桿連接，由于弦桿為H 型鋼且內(nèi)力較大，采用焊縫連接較困難，可采用螺栓連接。

3 節(jié)點(diǎn)次彎矩影響

只承受節(jié)點(diǎn)荷載的桿件截面為H 形或箱形的桁架，由于采用直接焊接，節(jié)點(diǎn)明顯具有剛性連接的特征，應(yīng)按剛接桁架計算桿件次彎矩，桁架弦桿H 型鋼在節(jié)點(diǎn)次彎矩及桿件內(nèi)力見圖5。弦桿截面強(qiáng)度宜滿足標(biāo)準(zhǔn)【1】式（4）、式（5）的要求，即：

圖4 斜腹桿與弦桿連接節(jié)點(diǎn)

圖5 桁架弦桿內(nèi)力及次彎矩圖

式（4）、式（5）中，W、Wp分別為彈性截面模量和塑性截面模量，mm3；M為桿件在節(jié)點(diǎn)處的次彎矩，N·mm；N為桿件軸力，N；A為桿件截面面積，mm2；f為桿件抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度設(shè)計值，N/mm2；α、β 為系數(shù)，同桿件截面形式有關(guān)，應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)【1】表8．5．2（略）的規(guī)定取值。

選取其中典型節(jié)點(diǎn)和桿件，計算結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求【5】。

4 結(jié)論

對箱形截面連廊設(shè)計需注意以下問題：

1）連接低矮建筑的架空連廊，可采用滑動鉸支承，支承位移須滿足2 個方向罕遇地震作用下的位移要求。

2）斜腹桿箱形截面與弦桿H型鋼截面連接時，由于桁架高度限制，偏心超出標(biāo)準(zhǔn)限值時，可采用半多邊形焊接節(jié)點(diǎn)連接。

3）門式鋼架柱與弦桿連接時，由于弦桿為H 型鋼且內(nèi)力較大，建議采用螺栓連接。

4）腹桿與弦桿采用焊接連接時，應(yīng)考慮剛接桁架桿件次彎矩的影響。