陈德平

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361004)

0 引言

钢结构以其轻质高强、造型丰富灵活等多方面优势广泛应用于现代建筑，对于大跨度和长悬臂结构，钢结构更有其独特的优势，能以较小的结构代价，实现建筑对高大空间的要求。

跨度较大的建筑中常采用钢桁架，具体型式有平面桁架或三角型桁架等几种，其上弦支承屋面板，下弦设置一定数量的支撑梁，保证其侧向稳定，同时也常作为室内吊顶及检修马道的支承件。此类结构存在结构冗余度低、支座荷载大等特点，但支座一旦失效，破坏性大，相应的损失及影响较大。所以，有必要对桁架及支座进行抗连续倒塌设计。由于支座的抗连续倒塌情况较为复杂，需针对不同的项目情况单独进行分析处理，设计人员较难灵活掌握。基于此，本文结合几个项目实例，探讨此类桁架的受力及支座设计思路，希冀能为工程设计同仁提供一些思路。

1 实例一：重型楼(屋)面大跨度钢结构

1.1 问题提出

大跨度屋面钢结构普遍采用钢桁架型式，采用钢柱或混凝土(型钢混凝土)柱，此类项目大都表现为柱高较大，为减少柱的弯矩，桁架与主体柱常采用铰接连接，按排架结构进行设计，支座节点常设于下弦端部，支座型式大都采用成品铰支座。

该做法用于装配式屋盖体系，如轻型屋面或预制大型屋面板时是合理的，其屋面构造上能够保证桁架上弦在支座位置不受约束，实现较理想的铰接。

但对于采用的钢桁架+现浇钢筋混凝土楼(屋)面的建筑，如会展中心，酒店宴会厅、演艺厅等，按此做法的支座就会遇上新的问题。

兴许受教科书上桁架计算简图的思维定势影响，许多设计人员认为，桁架的支座理所当然是在下弦端部设置一个不动铰支座。这种思路在屋面材料能够自由伸缩时是可行的，但如果该大跨度桁架的楼(屋)盖与主体结构整浇时，计算和构造上就存在着如下两点不足：

(1)此类项目中，由于大跨度桁架高度较大，桁架支座设置于下弦时，其支座位置常在楼层中部，支座的水平力无楼盖传递，只能均传递给支承柱。其实，这种受力模式与整体计算分析中荷载位于楼层处不符，同时由于支承点在楼层中部设置变截面影响美观。

(2)该大跨度空间常不是单独的一个结构体系，而是位于建筑中部的一个空间，楼(屋)面板整体浇筑后，约束桁架上弦的平动形成了桁架上下弦均为铰接的情况，对整个桁架来说，已形成事实刚接的支座，增大了柱端弯矩，与计算简图不符，且易造成楼(屋)面板开裂，如图1所示。

图1 桁架支座简图

1.2 解决办法

鉴于桁架支座位于下弦将会带来较大的问题，可以考虑将桁架支座设置于上弦位置，使支座位置与楼(屋)盖接近。这样，支座转动时，楼板受力较小，且水平力由楼板直接传递，使桁架实际支座条件及结构质心位置与计算相符。

如：厦门某五星级酒店宴会厅，高度18m，跨度31m，屋面上要求设置1m厚的种植土，屋面整体荷载较大，设计中采用钢桁架+现浇钢筋砼屋面，屋面与周边的框架结构楼板整体连接；桁架高度3m，桁架两端以铰接方式支承于柱顶。项目效果图如图2所示。

图2 效果图1

1.3 桁架的抗连续倒塌设计

桁架上下翼缘考虑现场拼装点设置于1/3跨度处，此处弦杆受力较小，抗连续倒塌设计时，仅考虑腹杆与弦杆焊缝失效的情况，参考《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)第4.12条规定，采用拆除构件法对桁架的抗倒塌性能进行计算分析，拆除原则为从受荷最大的腹杆开始，每次拆除一根，以该构型作为抗连续倒塌计算初始模型，进行逐次计算，控制主要受力杆件应力比小于1.0，不考虑风载、地震作用；不控制位移、位移比及结构动力参数等。

1.3.1荷载组合

荷载组合采用如下公式[1-2]：

S=A(SGK+∑ψqiSqik)

式中：SGK为永久荷载标准值；Sqik为竖向可变荷载 (包括楼面、屋面活荷载)标准值；Ψqi变荷载的准永久值系数 0.5；A为动力放大系数，当被拆除构件相连或位于 其正上方时，荷载动力放大系数取A>1.0，其他位置取A=1.0。

根据以上公式，该工程拆除后的结构荷载组合为1.0恒载+0.5活载，荷载分项系数均取1.0，活载组合系数取0.5，材料强度取标准值，考虑到展厅区为钢结构，构件延性较好，材料强度有一定储备，故动力系数取相对低值，取1.2，不考虑风荷载组合。

1.3.2计算数据分析

电算采用YJK进行构件内力分析，控制残余结构的构件应力比在强度允许值内。拆除顺序如图3所示，具体计算结果如表1所示。

图3 桁架腹杆拆除编号图

被拆除构件被拆除构件应力比拆除后结构构件最大应力比结论A0.310.95满足B0.320.92满足C0.190.92满足D0.190.90满足E0.090.90满足F0.080.89满足G0.080.89满足H0.060.88满足

由计算结果可见，在各自拆除这几根构件以后，柱构件均具有一定的承载力富余，说明整体结构抗倒塌性能良好。

1.4 支座节点构造

考虑到该桁架为静定结构，支座不能采用拆除构件法进行验算，根据抗连续倒塌的精神，采用以下两种方法进行设计：

(1)增加上弦悬臂段的强度，有限元分析后应力比不大于0.6；

(2)在下弦处增设一个备用支座，在上弦支座失效或接近失效时候，备用支座能承担所有的桁架荷载，增加结构安全度。

下支座在正常使用状态下应不参与受力，以免桁架实际受力与计算不符，设计为滑动支座，同时增加相应的限位措施，下支座待桁架恒荷载加载完毕后再行锁定。支座构造如图4所示。

图4 支座构造图

上支座采用在柱顶埋设型钢抗剪键的方式，抗剪键与柱内型钢焊接。支座底板中心开孔用于型钢穿入，支座两侧设置调平螺栓，待安装完毕后，在柱脚内注浆，使抗剪键与支座整体作用于传递水平力。

下支座采用滑动支座，两侧设置挡板，防止大震滑移，下支座牛腿待恒载全部加载完成后再行锁定，如图5所示。

图5 支座大样图

通过以上设计，使桁架具有两道传力途径，支座满足二道防线设置，安全性得以明显提升。

2 案例二：桁架式天桥的抗连续倒塌设计

现代建筑中，两栋塔楼之间常设置天桥进行连接。天桥跨度一般均较大，常采用钢桁架结构，将两层天桥合并为一榀桁架，与建筑物之间采用一端铰接，一端滑动的支座型式。由于两栋建筑在罕遇地震作用下位移量较大，天桥的滑动端变形缝宽度将达到难以接受程度，且天桥一旦出现支座失效或滑脱，将导致较大经济损失及社会影响。因此，有必要对天桥支座进行抗连续倒塌设计，并优化变形缝宽度。

如：云南某博物馆天桥，由两栋5层的建筑组成，在三层处设置一道天桥连接，天桥跨度17m，主结构采用钢桁架，桁架高度5m，一端铰接于主展馆，另一端设置滑动支座。项目效果图如图6所示。

其次，员工需要得到尊重，在工作中员工难免受到委屈，我们可以设立减压室，在减压室中设立投诉墙，用于员工们记录发泄情绪，管理者可以根据员工所写事情分析是员工的过错还是顾客的过错，如果是员工的过错要及时纠正，若是顾客的问题，可适当给员工一定物质奖励以安慰员工情绪。员工们也可以在投诉墙上提上自己的建议，若是合理的建议企业可予以采纳并适当奖励。

图6 项目效果图2

该工程由于桁架高度大，主要杆件应力比均较小，结构余量大，可不采用拆除构件法进行桁架的抗连续倒塌验算，本文仅对其支座的抗连续倒塌性能作论述。

经验算，两栋塔楼的罕遇地震作用下，最大位移绝对值相加达350mm，若按此宽度设计变形缝，难以满足建筑使用要求。根据抗震设计的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的总原则[3]，对构件重要性进行甄别。在罕遇地震作用下，仅需考虑天桥不坠落，主要构件不被撞坏即可满足设防要求。根据这个思想在构造上采用以下两个措施：

(1)主桁架构件及支座适当外移，滑动端连接处在天桥上设置悬挑板，天桥与主体之间的抗震缝宽度取设防烈度下的计算位移量绝对值，并不小于100mm，保证平时工况下，天桥可正常使用；在罕遇地震作用下，天桥端部的悬挑板考虑被撞坏，从而留出伸缩空间，保证塔楼主体及天桥桁架主结构的安全。

(2)连廊下部于塔楼内伸出防坠落挑板，其外挑长度大于罕遇地震作用下的绝对位移量，挑板两侧设置上反挡板，保证在最大位移或支座破坏情况下，天桥将搁置于防坠落挑板上，不致发生整体坠落，挡板也同时用于加强悬挑板强度。

3 案例三：台风区大悬挑结构的支座抗连续倒塌设计

大悬挑轻型屋面结构，如大型体育场的悬挑桁架，其支座竖向力较小，支座承载力余量也较大，对其进行抗连续倒塌设计无实质性意义。但我省位于台风多发区，每年均有不同数量的台风正面登陆，对于轻型屋面的大悬挑结构，一旦支座被拔起，结构将引起“反向”的连续倒塌现象，导致结构严重破坏，其支座的抗风负压能力值得引起重视。本文就该工程结构的“反向”抗连续倒塌设计进行阐述。

如：厦门某体育场，主看台采用钢筋混凝土框架结构，屋面由东西两个看台屋面组成，东侧看台悬挑24m，内跨长度6m，西侧看台悬挑33m，内跨长度8m，屋盖采用倒三角形空间管桁架悬挑结构，主桁架间设置3道联系次桁架，用于加强其整体性。屋面系统为轻型压型钢板屋盖系统。两榀桁架间距离14m，最大一跨为21m。项目整体效果图如图7 所示。

图7 效果图3

设计中，采用拆除构件法对主桁架进行抗连续倒塌设计，考虑到风正压及风负压两种工况，对主要弦杆及腹杆进行逐一拆除验算，其方法及计算步骤与实例一类似，限于篇幅，不再赘述，仅论述其支座的抗连续倒塌设计思想。

3.1支座设计

设计中该支座内力按以下两种情况取大值进行：

(1)中考虑台风可能超越本地基本风压取值[4]，支座上拔力设计值按厦门近年来最大风速度44m/s进行验算，换算基本风压取1.2kn/m2。

(2)考虑当地基本风压作用，拆除一个支座后，其余支座计算的上拔力值。两种情况经电算后其前支座在风负压作用下最大上拔力近4500kN，后支座在风正压力作用下最大上拔力近3500kN。

按常规方法设计时，支座一般采用成品抗拔支座或球形支座，现有的支座型式主要有球形抗拔支座及盆式抗拔支座两种。两种支座形式各有优缺点。球形抗拔支座构造简单，工艺成熟，但所能提供的抗拔力有限；盆式抗拔支座提供的抗拔力较大，但支座与柱脚节点分离，柱、支座及相连接构件间形成焊接串联关系，且几条主要焊缝为现场高空焊缝；焊缝可靠性较差。

该工程设计中，对支座节点进行专项设计研发，采用支座与桁架节点合并的方式，支座节点构件之间主要通过几何承插及相互咬合连接，节点内的焊缝起辅助连接作用，从而大大提高支座的安全度。同时，通过一系列构造型式，解决支座处节点的多杆相交碰撞问题。支座模型如图8所示，该支座研发成功后，获得国家发明专利授权[5]。

图8 节点三维图

3.2 前支座与柱的连接构造

前支座下的柱为型钢混凝土柱，为保证抵抗较大的上拔力，下部混凝土柱中设置十字型钢，在支座范围内取消十字柱的腹板，以利于钢管柱脚安装；钢管柱脚底部设底板及螺栓，用于安装及调平。安装完成后，将十字柱翼缘与钢管柱脚间的腹板恢复，采用等强坡口焊接连接；安装完成后，对钢管柱脚内部采用压力注浆填实。支座连接构造如图9所示。

图9 前支座连接构造详图

前支座通过支座底部插入柱内型钢中，并与之焊接连接；在形成外包式柱脚的受力模式同时，又将柱脚与混凝土柱内的型钢焊接一体进行直接传力，大大增加柱脚的抗拔能力。

3.3 后支座与柱的连接构造

后支座连接的主体柱为钢管混凝土柱，其连接主要靠二者交接处的等强融透焊缝，理论上其具有等强连接能力，但考虑到该处为在吊装状态下的高空现场焊缝，考虑高空人为操作的不稳定性，可能将为该焊缝的可靠性带来一定不利的影响，对重要的连接节点进行两道防线设计，以保证在特殊的情况下该支座仍具有相当的承载力，为支座修复争取时间。

设计中，利用支座管中的十字加劲肋伸出作为锚固连接段。于十字加劲肋端部设置盲板，将其插入下部的钢管混凝土柱中，并在钢管混凝土柱的顶端设置一道环形板，支座钢管与钢管混凝土柱等直径进行等强融透焊。在该支座安装完成后，通过压力注浆，将钢管混凝土柱内的空间填实，使加劲肋与注浆体形成一个抗拔锚固段，作用于钢管混凝土顶端的环形板上。设计时，考虑其可以承受全部的拉力，这样可使该支座受拉方向有两道防线，保证结构安全。其连接构造如图10所示。

图10 后支座连接构造

该工程经受了2016年04号台风“莫兰蒂”的正面袭击，主构件及围护构件均完好无损，说明该工程的“反向”抗连续倒塌性能良好。

4 结语

在进行抗连续倒塌设计时，需对整体结构进行预判，选取最可能破坏的、且破坏时将可能导致结构产生严重后果的部位，对其进行合理的冗余度设计，并评估其失效后可能引起的连锁反应，然后对强度不足构件进行加强，以满足结构的安全性及经济性要求。进行构件抗连续倒塌内力分析，残余结构构件的应力比应控制在强度允许值内。

在工程设计中，可以通过合理的节点设计，使结构受力与计算相符；同时融入了结构的抗连续倒塌设计理念，以较小的代价大幅增加结构安全度，实现小构造解决大问题的目的。