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(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)定了合理的性能目標(biāo)，針對(duì)連接體鋼桁架進(jìn)行了相應(yīng)計(jì)算分析;針對(duì)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(jí)二級(jí)，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(duì)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(jí)。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(duì)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(jí)為一級(jí)，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(duì)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(duì)樓板洞口及邊角部位進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)。

同時(shí)對(duì)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(dòng)舒適度分析模型。經(jīng)計(jì)算分析，豎向振動(dòng)頻率為4.45Hz，最大豎向振動(dòng)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(jí)由二級(jí)提高至一級(jí)，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(jí)為一級(jí)。

（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(duì)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)：

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[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。