某連體高層結構中的鋼桁架設計

張志新

(山西五建集團有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概況

本工程位于晉城市澤州縣金村鎮棗園村,項目建筑用地南靠規劃太岳路西臨,西側為規劃中的0.05 km2的大片城市綠地,南側面向花園頭水系公園。本工程為一棟商業辦公樓，由2層地下室，21層地上組成。地下2層地下室，地上部分1層、2層為商業，層高4.2 m，以上為辦公樓，層高均為4.8 m，主樓總高度99.75 m，結構體系為剪力墻結構，屋頂設鋼結構連廊,基礎形式為樁筏基礎。該工程的抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度0.05g，設計地震分組第三組，場地類別Ⅱ類，特征周期0.45 s，抗震設防類別為丙類，建筑結構安全等級二級(結構重要性系數為1.0),三維模型見圖1。

2 主體結構體系及簡要介紹

結構雙塔均為剪力墻結構，在屋面21層設鋼桁架雙連廊，作為兩單體的屋面水平交通樞紐，該桁架需要傳遞兩塔樓之間的水平剪力，協調兩塔樓的變形，因此為關鍵構件，需要進行詳細的分析，并采取加強措施，確保安全。桁架跨度為20.4 m，寬度為5.25 m，高度同21層結構層高度4.8 m，兩側塔體剪力墻結構抗震等級為三級，但考慮連廊層為加強層，因此連廊層及相鄰樓層豎向構件和連廊抗震等級在構造上相應提高為二級[1-2]。

本工程存在三個超限內容：1)偶然偏心規定水平力作用下位移比最大1.26，大于1.2，屬于扭轉不規則；2)建筑頂層 設鋼結構桁架連廊屬于高位連體結構;3)20層與21層的承載力之比為0.7(Y向)，受剪承載力變化大于80%，因此綜合判定本工程為超限高層建筑。

主體結構的整體計算分別采用YJK，Midas/Building 兩個不同力學模型的結構分析軟件，對整體計算結果中的振動模態、周期、構件內力等參數做了細致的對比分析，衡量結構整體計算的合理性及關鍵構件計算的準確性。

針對超限情況，將底部加強區的1層～3層的豎向構件、21層連廊層及相鄰樓層的豎向構件、整體鋼桁架連廊定義為抗震的關鍵構件。采用盈建科進行了中震、大震下等效彈性分析、罕遇地震下的彈塑性時程分析，保證關鍵構件及耗能構件滿足中震及大震下的性能目標，并且針對桁架連廊，進行了大震下動力彈塑性豎向時程分析，確保豎向振動幅值滿足要求。

3 鋼桁架的設計目標及分析

根據建筑功能及平面造型要求，鋼結構連廊設計如下：中庭部分跨度20 m，采用鋼桁架結構[3]，與兩側塔采用強連接(兩端剛接)，自重輕，連接可靠。為了保證連接的可靠性，兩側支框架柱設置為型鋼混凝土框架柱，鋼桁架上下弦與型鋼混凝土框架柱內預留型鋼直接連接，鋼梁延伸進主樓一跨，并采用型鋼混凝土梁。

鋼結構桁架在設計之初考慮一端鉸接，一端滑動的柔性連接，該種連接體一般可以減少結構的扭轉，并避免2個塔樓偶聯作用給結構整體帶來的不利影響，此種連接的滑動支座是設計重點，需要滿足罕遇地震作用下結構變形，因此要在塔樓與支座間留出一條防震縫，經過計算此時需要留出300 mm的防震縫。但經過對兩個塔樓的分別計算，兩側主塔體結構剛度相近，動力特性基本相似，此時采用強連接形式更加能保證高空桁架的可靠性，及兩側雙塔的協調性和安全性，此時設計的工作重點就變為如何保證鋼結構與兩側塔樓共同工作及該大跨度鋼結構桁架計算分析，因此針對上述重點，桁架采取相應的措施并考慮了如下計算內容：

1)鋼桁架作為結構的關鍵部位，鋼結構連廊部分抗震設防性能目標為C級。

2)采用YJK及Midas軟件進行小震下水平地震作用整體內力和位移分析，并對比，保持小震彈性。

3)進行中震下水平地震作用整體內力和位移分析，確保中震彈性。

4)進行罕遇地震作用鋼桁架及兩側連接的型鋼混凝土框架柱整體內力計算，確保滿足大震不屈服；并考慮桁架在豎向地震的影響，確保大震最大豎向位移不會過大。

5)鋼桁架與主體結構連接計算分析及構造。

6)鋼桁架舒適度驗算。

3.1 鋼結構桁架布置方案及參數

鋼桁架采用焊接工字鋼組成的普通桁架，豎向水平均設有直腹桿及斜腹桿，同時在桁架中心設斜腹桿增加整體剛度，桁架桿件與主體的型鋼混凝土柱鉸接，桁架整體與兩側形成剛接體系。布置示意圖見圖2，桿件截面見表1。

表1 鋼結構桁架桿件截面表

3.2 鋼結構連廊小震下水平地震作用分析

鋼結構連廊小震下設計取抗震等級為二級,阻尼比取0.05，應力比計算只考慮水平地震作用參與內力組合。小震下應力未超設計允許值，可滿足使用要求。

3.3 鋼結構連廊中震下地震作用分析

為保證連廊及兩側與其連接的框架柱在中震下正常使用，連廊性能化設計時取中震彈性計算，阻尼比取0.05，不考慮與抗震時內力調整系數，材料強度取設計值，采用YJK計算，中震地震內力約是小震時的2.2倍，此時經過計算支撐桁架上弦桿最大應力比0.47，下弦桿最大應力比0.52，均出現在支座位置，其他部分應力均較小，滿足中震彈性性能要求。 由此看出完全能滿足中震彈性的要求[4]。

3.4 鋼結構連廊大震下地震作用分析

為保證連廊及兩側與其連接的框架柱在大震下不屈服，此時計算參數結構阻尼比為0.06，采用彈塑性時程分析，選用三組地震波計算(兩組天然，一組人工)，此時桁架桿件最大應力比1.0，同時從損傷圖(如圖3所示)中可看出，大震時桁架基本保持完好，無中度以上的損壞，能滿足大震不屈服的性能要求[5-6]。

3.5 鋼結構連廊大震下豎向地震作用分析

為保證連廊在大震下有足夠的豎向剛度，補充計算了對桁架及連接桁架的型鋼混凝土框架柱進行的豎向地震的計算[7]。分析時結構豎向地震影響系數最大值可按水平地震影響系數最大值的65%采用，地震分組按第一組。圖4為選用地震波1055地震作用下桁架典型節點豎向地震下節點相對位移時程響應，其中最大位移18.92 mm。

3.6 關鍵節點應力分析

選3個典型鋼節點進行有限元分析。鋼材均采用 Q345B。ND1位于桁架與雙塔連接處，ND2，ND3位于中跨桁架上。

3.6.1 ND1節點分析

ND1節點有限元模型見圖5。

1)中震彈性工況組合。

節點應力分布圖如圖6所示。鋼桁架桁架下腹桿下翼緣最大應力為65 MPa，均未超過限值要求；混凝土節點應力大部分不超屈服限值(20.1 MPa)，僅在桁架下斜腹桿下翼緣與混凝土連接處角出現局部壓應力超限，但整體保持完好。

2)大震不屈服工況組合。

節點應力分布圖如圖7所示。鋼桁架上弦桿上翼緣最大應力為127 MPa，均未超過限值要求；混凝土節點應力大部分不超屈服限值，僅在桁架下腹桿下翼緣與混凝土連接處出現局部壓應力超限，但整體保持完好。

3.6.2 ND2節點分析

1)中震彈性工況組合。節點應力分布圖如圖8所示。鋼桁架桁架下腹桿下翼緣最大應力為266 MPa，均未超過限值。ND1中震最大應力位置見圖9。

2)大震不屈服工況組合。節點應力分布圖如圖10所示。鋼桁架桁架下腹桿下翼緣最大應力為273 MPa，均未超過限值。ND2中震最大應力位置見圖11。

3.6.3 ND3節點分析

1)中震彈性工況組合。節點應力分布圖如圖12所示。鋼桁架桁架下腹桿下翼緣最大應力為153 MPa，均未超過限值。ND3中震最大應力位置見圖13。

2)大震不屈服工況組合。節點應力分布圖如圖14所示。鋼桁架桁架下腹桿下翼緣最大應力為180 MPa，均未超過限值。ND2大震最大應力位置見圖15。

取三個典型節點進行有限元建模分析，考慮了中、大震后計算結果表明：1)中震彈性組合作用下，鋼桁架節點應力都小于屈服應力，僅桁架與混凝土連接處的混凝土個別單元出現壓應力超限，該比例不少于網格單元的5%，整體均滿足限值。2)大震組合對節點應力起控制作用。結果顯示鋼桁架節點應力都小于屈服應力，僅桁架與混凝土連接處的混凝土個別單元出現壓應力超限，該比例不少于網格單元的10%,整體均滿足限值。3)計算分析表明支撐桁架節點滿足預設大震下不屈服的性能目標要求。

3.7 舒適度驗算

選取典型的鋼桁架進行舒適度分析。通過模態分析顯示，最不利位置處考慮6個人在樓蓋上步行，頻率為2.4 Hz,時程函數曲線為連續步行曲線，桁架自振頻率為5.3 Hz,滿足豎向振動加速度峰值限值為0.15 m/s2，由軟件計算得到該結構加速度最大值為0.10 m/s2<0.15 m/s2，滿足要求。

4 結語

1)本工程為高位連體結構，屬于超限高層建筑，針對超限內容，對關鍵構件及連接體、兩側樓板等采取加強措施。

2)通過對大跨度連體結構的鋼結構連接體的小震、中震、大震的應力分析、大震彈塑性分析、桁架舒適度分析的全面分析，結果表明，各項指標均能滿足規范及實際正常使用要求，小震及中震保證了所有構件均在彈性階段，正常使用時舒適度滿足要求；大震時保證桁架不屈服、桁架水平及豎向有足夠的剛度，鋼結構桁架完全能達到設定的性能目標。