某辦公樓連體結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

張 晨，鄭世鈞，王麗梅

（甘肅省建筑設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州）

1 工程概況

某健康管理中心位于甘肅省蘭州新區(qū)，由南、北辦公樓和報告廳三個子項組成。其中，南、北辦公樓平面呈L 形，為對稱建筑，房屋高度23.45 m。報告廳平面呈矩形，屋面由三角形折面呈起伏狀構(gòu)成，房屋高度18.45 m。三個子項通過連廊相互連接，南、北辦公樓與報告廳分別在二層（標(biāo)高5.100）通過連廊連接，兩個辦公樓在大屋面（標(biāo)高23.000）通過連廊連接，見圖1。

圖1 整體建筑立面

2 連體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 連體連接方式確定

按連接體與塔樓的相對剛度分類，連體結(jié)構(gòu)連接方式可分為強連接和弱連接。連接體與塔樓兩端剛接、兩端鉸接均屬于強連接。連接體一端鉸接另一端為滑動支座，或者連接體兩端均為滑動支座屬于弱連接[1]。

根據(jù)規(guī)范中對連體結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)定，連接體結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)剛性連接時，連接體結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)至少伸入主體結(jié)構(gòu)一跨并可靠連接[2]。由于本項目建筑造型和房屋高度的限制，南北樓的連廊和南北樓與報告廳的連廊均不能伸入主體結(jié)構(gòu)，因此，本項目的連接體與主體結(jié)構(gòu)的連接方式最終選擇弱連接。同時，考慮到將連接體對主體結(jié)構(gòu)的影響降到最低，采用兩端均為滑動支座的連接方式，連接體對主體結(jié)構(gòu)僅傳遞支座的滑動摩擦力，連接體對主體結(jié)構(gòu)的影響被很大程度減小。

2.2 連接體鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合連接體支座位置和建筑造型，南、北樓大屋面的連廊和南、北樓與報告廳的連廊均選用鋼桁架結(jié)構(gòu)型式。

2.2.1 南、北辦公樓鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計

南、北辦公樓的跨度約為51.8 m，寬度約為17 m。連接體為建筑屋面造型，采用3 榀平面桁架+平面外次梁+水平支撐的型式，見圖2。平面桁架高3 m，上、下弦桿選用H700×350×16×25，豎腹桿選用HW250×250×9×14，斜腹桿選用HW250×250×9×14。平面外次梁采用與主桁架同高的平面桁架型式，上、下弦桿選用H400×300×10×16，斜腹桿選用HW150×150×7×10。水平支撐選用L160×10。在3 榀平面桁架下弦的兩個端頭設(shè)置滑動支座。

圖2 南、北辦公樓桁架布置

鋼桁架連廊采用3D3S 軟件建立空間分析模型。分析時主要考慮恒、活、風(fēng)、溫度作用（±30 ℃）以及地震作用（水平和豎向）?？紤]到連接體的功能和經(jīng)濟性等因素，經(jīng)計算，構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.86。在恒載下，鋼桁架最大豎向變形為92 mm，在恒+活標(biāo)準(zhǔn)組合的作用下最大豎向變形為103 mm。在恒+活標(biāo)準(zhǔn)組合、單工況風(fēng)荷載作用下，單個支座最大豎向力分別為壓力549 kN、拉力為134 kN。在單工況風(fēng)荷載、單工況小震作用下，最大水平力分別為4.5 kN、17.3 kN。由于鋼桁架采用滑動支座，故主體結(jié)構(gòu)可不考慮鋼桁架支座水平力對主體結(jié)構(gòu)的影響。

2.2.2 南、北辦公樓與報告廳鋼桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計

南、北兩個連廊相似，本文以南側(cè)連廊為例。南辦公樓與報告廳之間的跨度約為12.6 m，寬度約為2.8 m。在二層（標(biāo)高5.100）通過可通行的連廊相連。此處連廊采用鋼桁架型式，鋼桁架呈不規(guī)則形態(tài)，最高處3.8 m，最矮處2.65 m。上、下弦桿選用HW200×200×8×12，連廊兩側(cè)豎腹桿選用HW150×150×7×10，連廊兩側(cè)斜腹桿選用HW150×150×7×10。連廊底面樓板厚度130 mm，頂面和底面通過次梁和水平支撐撐構(gòu)成平面內(nèi)的水平桁架體系，保證連廊平面內(nèi)的穩(wěn)定性[3]。頂面、底面的次梁選用HW150×150×7×10，水平支撐選用L125×8。在桁架下弦的兩個端頭設(shè)置滑動支座。

鋼桁架連廊采用3D3S 軟件建立空間分析模型。分析時主要考慮恒、活、風(fēng)、溫度作用（±30 ℃）以及地震作用（水平和豎向）。經(jīng)計算，構(gòu)件最大應(yīng)力比為0.61。鋼桁架在恒+活標(biāo)準(zhǔn)組合的作用下最大豎向變形為3 mm。在恒+活標(biāo)準(zhǔn)組合、單工況風(fēng)荷載作用下，單個支座最大豎向力分別為壓力126 kN、拉力為5.9 kN。在單工況風(fēng)荷載、單工況小震作用下，最大水平力分別為2.3 kN、4.8 kN。

3 支座設(shè)計

3.1 主體結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的位移計算

根據(jù)規(guī)范要求，當(dāng)連體結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)采用滑動連接時，支座滑移量應(yīng)能滿足兩個方向在罕遇地震作用下的位移要求。采用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件YJK 對兩側(cè)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了罕遇地震作用下的動力彈塑性時程分析。時程波采用Big Bear-02_NO_1905，Tg(0.50)波、Irpinia, Italy-02_NO_303，Tg (0.50) 波及人工波ArtWave-RH1TG045，Tg(0.45)。計算結(jié)果顯示，南、北辦公樓的最大頂點位移164 mm，故滑動支座位移限值采用±170 mm 能滿足規(guī)范要求。

3.2 支座選擇

連接體與主體結(jié)構(gòu)之間采用滑動支座相連，支座的水平剛度非常小。通?；瑒又ё撵o摩擦系數(shù)不大于0.03，為了保證連接體的正常使用，其在風(fēng)荷載作用下，不應(yīng)有過大變形，所以支座應(yīng)當(dāng)具有一定的初始剛度，故設(shè)計時要求滑動支座的靜摩擦系數(shù)不大于0.1。計算時，連接體的滑動支座剛度用彈性連接來模擬，考慮支座剛度從100 KN/m～10 000 KN/m 包絡(luò)設(shè)計，以保證連接體的可靠性。

考慮到滑動支座的承載力要求，位移變形能力和耐久性等因素，綜合對比下，本工程最終采用了具有一定初始剛度的摩擦擺支座，支座示意如圖3 所示。根據(jù)計算結(jié)果，支座的設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

圖3 支座示意

4 屈曲分析

南、北辦公樓與報告廳二層間連接的鋼桁架，其未設(shè)置垂直支撐，為了研究桁架的平面外穩(wěn)定問題，做屈曲分析。屈曲分析是通過求解桿件的穩(wěn)定性方程，確定在不同的荷載作用下，桿件的穩(wěn)定極限。桿件的穩(wěn)定性方程通常采用歐拉方程或者能量法等數(shù)學(xué)模型進(jìn)行建立。在求解穩(wěn)定性方程時，需要考慮桿件的幾何形狀、材料特性以及外部載荷等因素的影響。通過分析穩(wěn)定性方程的解，可以確定桿件的臨界載荷和截面的臨界應(yīng)力，從而保證桿件在使用過程中的安全性。本工程采用3D3S 計算軟件，對桁架施加豎向荷載，采用1.0 恒+1.0 活組合進(jìn)行分析。根據(jù)規(guī)范要求，取鋼桁架跨度的1/300 即43 mm 作為初始缺陷，并且根據(jù)一致模態(tài)對桁架施加初始缺陷，然后進(jìn)行大位移的幾何非線性穩(wěn)定分析[4]。

桁架間的橫桿和縱向弦桿間按剛接模擬，其余直徑較小的斜腹桿均按鉸接考慮。本工程通過分析可以得到桁架結(jié)構(gòu)的線性整體穩(wěn)定因子，表2 給出了桁架結(jié)構(gòu)的前10 個穩(wěn)定因子。且由圖4 可知，帶缺陷的桁架考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性的整體穩(wěn)定系數(shù)為16.5。對于該桁架結(jié)構(gòu)，不加缺陷的極限承載力系數(shù)為38.4，按規(guī)范加上初始缺陷后降為16.5。因此，該結(jié)構(gòu)是缺陷不敏感型的。該結(jié)構(gòu)的極限承載力系數(shù)為16.5 大于規(guī)范規(guī)定的4.2[5]。由此可知該桁架結(jié)構(gòu)受力比較合理，承載力較高。

表2 桁架結(jié)構(gòu)的前10 個穩(wěn)定因子

圖4 帶缺陷結(jié)構(gòu)幾何非線性分析的位移

5 連廊樓板的豎向振動舒適度分析

本工程利用MIDAS GEN 結(jié)構(gòu)計算軟件對于報告廳相連接的兩個連廊做其樓板的豎向振動舒適度分析。首先對桁架結(jié)構(gòu)做特征值分析，計算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的第一階頻率為3.69 Hz，大于規(guī)范規(guī)定的3 Hz 的要求。然后采用MIDAS 軟件中的行走一步的時程荷載函數(shù)，如圖5 所示，定義行走路徑，將荷載施加于該路徑上的相應(yīng)節(jié)點，如圖6 所示。計算結(jié)果顯示，如圖7 所示，最大豎向振動加速度為0.032 m/s2，滿足規(guī)范規(guī)定的應(yīng)小于0.15 m/s2的限值要求。

圖5 時程荷載函數(shù)

圖6 時程荷載施加路徑

圖7 時程圖形

6 結(jié)論

本工程三個子項間通過連接體兩兩相連，考慮到連接體支座位置，建筑造型，且避免連體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜傳力等因素，采用柔性連接將連接體與主體結(jié)構(gòu)相連接。連接體采用鋼桁架型式，桁架和主體結(jié)構(gòu)可以獨立設(shè)計分析。本文通過介紹三個鋼桁架與主體結(jié)構(gòu)的柔性連接，得出以下結(jié)論：

（1）連廊的自重大于風(fēng)吸力，支座設(shè)計時可以不用考慮拉力的影響。

（2）為保證連廊的正常使用，連廊的滑動支座應(yīng)具有一定的初始剛度。

（3）對主體結(jié)構(gòu)做罕遇地震下的位移計算，得出滑移量為±170 mm，支座選用能承受較大豎向力和較大水平滑動位移的摩擦擺支座。

（4）報告廳兩側(cè)的可通行連廊通過屈曲分析表明，帶缺陷的連廊考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性的整體穩(wěn)定系數(shù)為16.5，大于規(guī)范規(guī)定的4.2。該桁架結(jié)構(gòu)受力比較合理，承載力較高。

（5）報告廳兩側(cè)的可通行連廊樓板厚度130 mm，滿足規(guī)范規(guī)定的樓蓋豎向振動舒適度的要求。