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  向  濤，  賀  俊，  胡曉娟，  袁天義

  （成都基準(zhǔn)方中建筑設(shè)計(jì)有限公司，成都610031）

[摘要]成都某項(xiàng)目為雙塔低位連體結(jié)構(gòu)。連接體跨度、高度、寬度較大，受力較為復(fù)雜。為了滿(mǎn)足建筑功能要求，連接體部分選用鋼桁架結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)工程特性，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)定了適宜的性能目標(biāo)，針對(duì)連接體鋼桁架進(jìn)行了設(shè)防烈度地震下中震彈性和大震不屈服的計(jì)算分析；針對(duì)桁架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了補(bǔ)充分析；對(duì)連體舒適度進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)分析。分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)受力和抗震性能滿(mǎn)足要求，安全可靠、使用舒適并具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

1工程概況

  本工程位于成都市青羊區(qū)，是以辦公、酒店、商業(yè)為主的大型綜合開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。項(xiàng)目規(guī)劃總用地面積11  119. 04m2，總建筑面積18萬(wàn)m2，地塊中部被一條30m的寬城市規(guī)劃道路橫穿。西塔樓為32層酒店與辦公，建筑高度為140.4m，東塔樓為40層寫(xiě)字樓，建筑高度為171. 5m，均采用框架一核心筒結(jié)構(gòu)；地面以上東、西塔樓在5~8層通過(guò)過(guò)街連廊相連，形成連體結(jié)構(gòu)，過(guò)街連廊以下為市政道路。地下設(shè)5層地下室，其中東西塔樓地下2層~地下5層地下室相通。建筑效果圖如圖1所示。

  本工程設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50年，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0．lg，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，場(chǎng)地特征周期為0. 45s，抗震設(shè)防類(lèi)別為丙類(lèi)。50年一遇基本風(fēng)壓為0. 3kN/m2，地面粗糙度類(lèi)別為C類(lèi)，結(jié)構(gòu)體形系數(shù)、風(fēng)壓高度變化系數(shù)、風(fēng)振系數(shù)等均按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》( GB 50009-2012)取值。

2  連接體結(jié)構(gòu)布置

  本工程連接體為鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，位于塔樓5～8層，標(biāo)高為20. 350~34. 450m，總高度為14. Im，跨度為45m，寬度為37. 7m。其中6層底（5層頂）、7層頂（8層底）為主受力桁架結(jié)構(gòu)，5層下吊于桁架。連接體的平面、立面及橫橋向剖面布置示意見(jiàn)圖2—4。

  本工程桁架受力桿件采用焊接矩形鋼管，次梁及水平支撐采用焊接H型鋼梁，所有鋼材均選用Q345B。限于篇幅，僅選取桁架1和桁架2部分主體構(gòu)件列出尺寸，見(jiàn)表1。

2.1連接體與塔樓連接

  連接體與塔樓的連接方式在概念上可分為弱連接與強(qiáng)連接。本工程為低位連體結(jié)構(gòu)，塔樓相對(duì)位移量不是很大，可采用弱連接。但考慮到本工程塔樓高度相差31. Im，雙塔樓平面基本對(duì)稱(chēng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析及參考相關(guān)研究可知，強(qiáng)連接能一定程度地改善塔樓抗震性能。基于整體結(jié)構(gòu)安全可靠度及業(yè)主不設(shè)縫要求，本工程鋼連接體與主樓采用強(qiáng)連接方式，連接體桁架桿件固結(jié)于主樓。

  主樓范圍內(nèi)不再設(shè)置環(huán)帶腰桁架，主樓內(nèi)型鋼混凝土梁與型鋼混凝土柱及預(yù)埋鋼骨核心筒組成空腹桁架，作為連接體桁架的延續(xù)，形成整體受力結(jié)構(gòu)體系，詳見(jiàn)圖5。

  本工程各樓層現(xiàn)澆混凝土板與相應(yīng)鋼構(gòu)件疊合，剪力連接件選用直徑為19mm、長(zhǎng)度為lOOmm的栓釘，剪力釘排布按照規(guī)范要求劃分為多個(gè)剪跨區(qū)進(jìn)行了計(jì)算校核，本文不作詳述。

2.2連接體層水平支撐

  為了保證連接體能夠有效傳遞水平力，協(xié)調(diào)兩塔樓的變形，連接體樓板厚度取為150mm，鋼梁上翼緣設(shè)置剪力釘，與混凝土形成疊合構(gòu)件，共同受力。

  罕遇地震作用下，樓板的破壞使得結(jié)構(gòu)在水平面內(nèi)剛度迅速減弱。為了保證連接體鋼桁架在罕遇地震作用下具有足夠的平面內(nèi)剛度，使結(jié)構(gòu)安全可靠，本工程在樓板下增設(shè)水平斜撐。水平斜撐與樓板脫開(kāi)，栓接于次梁、桁架及塔樓，從而形成整體水平剛度。同時(shí)，在多遇和設(shè)防烈度地震作用下，水平斜撐與之共同提供水平剛度，能一定程度地改善結(jié)構(gòu)受力。水平斜撐平面布置示意詳見(jiàn)圖1，立面布置示意詳見(jiàn)圖6。

3  結(jié)構(gòu)整體計(jì)算分析

  本工程連接體部分為鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，為了達(dá)到規(guī)范規(guī)定的三個(gè)水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)，參照《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》( JGJ 3-2010)（簡(jiǎn)稱(chēng)高規(guī)），將連接體鋼桁架抗震性能目標(biāo)定為C級(jí)。連接體鋼桁架體系及與塔樓相連構(gòu)件按小震彈性、中震彈性、大震不屈服進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。采用YJK軟件進(jìn)行整體計(jì)算分析；采用ETABS及MIDAS Building軟件進(jìn)行補(bǔ)充分析和復(fù)核。

3.1地震作用

  本工程設(shè)防烈度為7度(0.1g)，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，各地震動(dòng)參數(shù)按照規(guī)范取值。結(jié)構(gòu)雖為低位連體結(jié)構(gòu)，但因連接體跨度較大，本工程計(jì)算時(shí)仍偏安全地考慮了豎向地震作用。

3.2計(jì)算分析建模處理

  根據(jù)本工程實(shí)際情況，建模過(guò)程中做了以下模擬，以使計(jì)算貼合實(shí)際，保證結(jié)構(gòu)安全。

  (1)本工程主樓施工完成后，再進(jìn)行連接體施工，其中連接體5層為下吊層。在模型中施工階段設(shè)置為：主樓各層一連接體6，7層桁架→連接體5層。

  (2)計(jì)算時(shí)，將桁架體系所在層及其上下相鄰樓層樓板定義為彈性板，以計(jì)算出設(shè)計(jì)需要的桿件內(nèi)力。大震時(shí)補(bǔ)充分析零剛度板假定下的桿件內(nèi)力。

  (3)對(duì)連接體8層后期平臺(tái)和其他附屬設(shè)施做了預(yù)設(shè)計(jì)，計(jì)算時(shí)充分考慮了此部分荷載；對(duì)連接體可能存在的功能性調(diào)整進(jìn)行了荷載包絡(luò)輸入。

  (4)桁架上節(jié)點(diǎn)構(gòu)造附加自重為1~2.79t，不能忽略，建模中將其作為荷載進(jìn)行了加載。

  (5)本工程連接體鋼桁架體系地震作用下計(jì)算包含所有塔樓的整體模型，以準(zhǔn)確考察桁架桿件內(nèi)力。

  (6)小震彈性、中震彈性、大震不屈服設(shè)計(jì)計(jì)算在各自電算模型及校核過(guò)程中應(yīng)按照相關(guān)規(guī)范和研究對(duì)計(jì)算參數(shù)合理輸入，以保證性能化設(shè)計(jì)的正確實(shí)施。中震彈性及大震不屈服設(shè)計(jì)要求詳見(jiàn)表2。

3.3主要分析結(jié)果

  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都滿(mǎn)足相應(yīng)規(guī)范要求，本文不作詳述。

  連接體鋼桁架體系構(gòu)件經(jīng)過(guò)多次計(jì)算調(diào)整，合理優(yōu)化了截面。并根據(jù)高規(guī)第10.5.5條適當(dāng)調(diào)整了桁架1及桁架3的主要構(gòu)件截面，增強(qiáng)了連接體抗扭能力。本工程連接體5層吊桿固接于主桁架，在使用荷載及地震工況下有較大彎矩，對(duì)其做了合理加強(qiáng)。

  小震彈性計(jì)算時(shí)，連體結(jié)構(gòu)大部分桿件應(yīng)力比為0.5~0.7；中震彈性計(jì)算時(shí)，連體結(jié)構(gòu)桿件應(yīng)力比為0.6~0.9；大震不屈服計(jì)算時(shí)，所有桿件應(yīng)力比均小于1.0。桁架各構(gòu)件滿(mǎn)足性能設(shè)計(jì)要求。本文選取了桁架內(nèi)力最大的桁架2，列出了半跨桁架桿件在各地震工況下的應(yīng)力比，詳見(jiàn)圖7～9。圖中所有桿件第一個(gè)數(shù)字均為應(yīng)力比，而腹桿第二個(gè)數(shù)字和第三個(gè)數(shù)字分別為X向和y向的穩(wěn)定應(yīng)力比，上、下弦桿及下吊層梁第二個(gè)數(shù)字為穩(wěn)定應(yīng)力比（在此處電算未作驗(yàn)算，輸出為0. 00），第三個(gè)數(shù)字為剪切應(yīng)力比。

  結(jié)構(gòu)總體撓度最大值為54. 84mm，約為//850；長(zhǎng)跨次梁撓度最大值約為//600；短跨次梁撓度最大值約為//1500，滿(mǎn)足相應(yīng)規(guī)范的要求。

4  結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)

  本工程構(gòu)件類(lèi)型多樣，節(jié)點(diǎn)相對(duì)復(fù)雜，對(duì)本工程中構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的部分工作做簡(jiǎn)單介紹。

4.1桁架體系桿件穩(wěn)定性校核

  本工程鋼連廊抗震等級(jí)為一級(jí)，鋼材為Q345。通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)局部布置、調(diào)整構(gòu)件截面或布置加勁板件，各類(lèi)構(gòu)件長(zhǎng)細(xì)比、板件寬厚比均滿(mǎn)足相應(yīng)規(guī)范要求，詳見(jiàn)表3；且經(jīng)軟件計(jì)算和手算復(fù)核，所有桿件穩(wěn)定承載力驗(yàn)算合格。故連廊部分所有桿件安全可靠。

4.2連接體與主樓連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算

  本工程運(yùn)用MIDAS FEA軟件進(jìn)行了連接體與主樓連接節(jié)點(diǎn)分析，計(jì)算模型計(jì)入混凝土及鋼筋，計(jì)算時(shí)認(rèn)為混凝土與鋼骨有效連接，未定義鋼骨混凝土滑移面。圖10～12為本工程內(nèi)力最大的節(jié)點(diǎn)在中震工況下的應(yīng)力云圖。由圖可知，鋼骨應(yīng)力大部分小于150MPa，局部最大值為212. 7MPa，較MIDAS/Gen僅計(jì)入鋼骨計(jì)算時(shí)��；混凝土應(yīng)力基本上都控制在23MPa以下，由于未定義鋼-混凝土滑移面，混凝土內(nèi)部存在局部點(diǎn)位應(yīng)力達(dá)到50MPa;鋼筋應(yīng)力大部分處于150MPa以下。由計(jì)算結(jié)果可以看出，節(jié)點(diǎn)安全可靠，承載力儲(chǔ)備合理。在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，構(gòu)造上將部分節(jié)點(diǎn)區(qū)域加勁形成的箱體及內(nèi)力較大的桁架2邊端壓桿灌注混凝土，以改善構(gòu)件性能。

4.3連接體中間節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)計(jì)算

  本工程中間節(jié)點(diǎn)類(lèi)型較多，參考相關(guān)工程及研究，經(jīng)過(guò)計(jì)算比選形成施工圖設(shè)計(jì)。選取各類(lèi)型部分構(gòu)件做了節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析，所有節(jié)點(diǎn)受力及構(gòu)造均滿(mǎn)足規(guī)范要求。圖13為桁架2某上弦桿節(jié)點(diǎn)中震工況下的應(yīng)力云圖，節(jié)點(diǎn)大部分區(qū)域應(yīng)力小于154MPa;局部區(qū)域應(yīng)力值較大，在150~220MPa之間；此節(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大值為340MPa，發(fā)生在計(jì)算模型約束端邊緣，為計(jì)算模擬不失真區(qū)域。圖14為桁架2豎吊桿與5層梁節(jié)點(diǎn)中震工況下的應(yīng)力云圖，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力大部分小于lOOMPa，吊桿與梁連接角點(diǎn)區(qū)域應(yīng)力值較大，在100~llOMPa之間。

4.4樓板應(yīng)力及舒適度計(jì)算

  本工程由于連接體跨度大，樓板受力較為復(fù)雜，溫度應(yīng)力不可忽略，故對(duì)連接體層樓板進(jìn)行了應(yīng)力分析，本文選取8層樓板進(jìn)行分析，樓板應(yīng)力區(qū)間為[ -7.4MPa，6.SMPa]，其中連接體中部應(yīng)力較大，在5—7MPa之間。傳統(tǒng)方法計(jì)算的次梁樓板體系振動(dòng)頻率和加速度均滿(mǎn)足高規(guī)第3.7.7條的相應(yīng)限值要求。

  同時(shí)運(yùn)用MIDAS/Gen軟件對(duì)5~8層鋼結(jié)構(gòu)連接體樓板舒適度做了補(bǔ)充分析。截取連接體及與主樓相應(yīng)樓層作為分析模型，第1階豎向振動(dòng)周期為第6階模態(tài)，頻率為3. 685 0Hz，大于3Hz。

  采用MIDAS/Gen分析多工況下的樓板舒適度，詳見(jiàn)表4，分析結(jié)果滿(mǎn)足高規(guī)要求。

5  結(jié)語(yǔ)

  本工程連接體鋼結(jié)構(gòu)跨度、寬度、高度都較大，結(jié)構(gòu)空間布置受限于建筑使用功能，受力較為復(fù)雜。設(shè)計(jì)中通過(guò)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)部補(bǔ)充分析，使連體結(jié)構(gòu)整體和局部都安全可靠、使用舒適，經(jīng)濟(jì)合理。