张能伟, 阮永辉, 郁冰泉

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

0 引言

空中钢结构连廊是近些年发展的一种新型建筑结构[1],国内不少学者都对空中钢连廊进行了研究。张磊等[2]简述了某3栋高差相差较大的超限高层采用悬挑方式处理空中连廊的设计方法,并以其中某一具体悬挑连廊为案例,对其进行了小震、中震、大震作用下的分析,并对舒适度以及节点进行分析和计算。吴国松等[3]采用时程分析的模拟计算方法,以竖向振动加速度峰值作为评价标准,对那曲地区藏北高原商业生态长廊建设项目钢连廊竖向振动加速度进行分析与控制。纪茜尧等[4]以某高烈度地区工业用钢桁架连廊为例,针对大跨度和重载等特点,应用MIDAS/Gen 2020进行了结构相关计算。杨律磊等[5]以苏州国际会议酒店空中连廊为例,通过连廊支座抗风与抗震设计,验证了连体结构连接方案的安全性,基于钢连廊独立模型,考虑地震作用在连廊支座处的放大效应,对连廊钢桁架的抗震性能、关键节点受力、防连续倒塌性能与楼面舒适度进行了设计复核,验证了该连廊结构方案的安全性与适用性。另外,文献[6-13]以实际工程为例,介绍了钢连廊的结构设计要点等。

但是空中钢连廊的设计和施工尚存在诸多问题,其稳定性和安全性有待进一步提高。笔者为满足《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010 )[14](简称抗规)对单跨框架结构应用场合的条文规定和建筑使用功能要求,提出一种适用于重点设防类高层单跨连廊的结构体系:X向为两跨框架+桁架结构,Y向为框架-支撑结构,对此结构的结构选型、结构布置进行了介绍,并对其进行了专项分析。

1 工程概况

本工程位于上海市静安区,地上新建部分由医疗综合楼、科教行政楼、区域公共卫生中心、社区公共服务中心等单体组成,各单体之间通过连廊相互关联。本文所介绍的连廊共4层,建筑高度为27.4m,首层层高为13.9m,其余各层层高为4.5m,宽4.2m,总跨度为72.7m,分别连通医疗综合楼和原住院大楼的4～7层。连廊建筑效果及建筑平面示意见图1、2。工程结构设计使用年限为50年,抗震设防类别为重点设防类,抗震设防烈度为7度(0.10g),地震分组为第三组,场地类别Ⅳ类。

图2 连廊建筑示意图

2 结构选型与结构布置

连廊两端塔楼均为框架-剪力墙结构,建筑高度均大于50m,考虑到连廊与两侧塔楼结构体系、高度均不相同,在连廊与塔楼连接处设置结构缝。

连廊在X向存在大跨,结构体系采用框架+桁架结构。连廊在Y向为单跨结构,抗规规定:甲、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑,不应采用单跨框架结构。由于连廊使用功能的特殊性,采用单跨结构不可避免,参考规范主编单位对该条文的解答[15],可在连廊底层设置支撑形成框架-支撑结构。为考虑不同支撑形式对结构抗震性能的影响,在设计时提出交叉支撑和人字形支撑两种方案(图3),并同时计算框架结构的受力性能作为对比。

图3 结构布置方案

图4给出了不同模型在大震等效弹性分析和静力弹塑性分析下的结果。由图4可知,柱间增加支撑可有效改善结构的抗震性能。其中框架-交叉支撑模型的框架柱应力比略小于框架-人字形支撑模型,但交叉支撑的应力比远超其本身承载能力,原因是交叉支撑过多地吸收了水平地震作用下的外力。同时由于框架-人字形支撑模型在支撑顶标高处设置了系杆,其框架柱在静力弹塑性分析工况下的性能水平仅为轻微破坏,受力性能优于框架-交叉支撑模型。综上分析,本工程在Y向采用框架-人字形支撑结构体系,结构三维布置如图5所示,构件截面尺寸见表1。

表1 构件截面尺寸

图4 结构受力性能计算结果

图5 结构三维布置图

3 静力弹性分析

3.1 施工模拟分析

施工顺序对大跨钢结构的受力存在影响,采用ETABS软件对连廊进行施工模拟分析,模拟过程结合实际施工顺序、考虑施工模拟方案相对应的结构刚度形成过程、加载顺序条件等,共设定5个施工步,具体如图6所示。

图6 施工顺序图

将考虑施工模拟顺序(方案一)的结构内力计算结果与采用“竖向荷载一次性加载”方式(方案二)的结构内力计算结果进行对比,具体如表2所示。由表2可知,考虑施工顺序模拟的基底反力、首层框架柱最大轴力、桁架斜腹杆最大轴力、框架梁最大弯矩与竖向荷载一次性加载的分析结果基本一致,说明考虑施工模拟顺序对连廊结构构件的内力影响较小;方案二中基底反力、首层框架柱最大轴力、桁架斜腹杆最大轴力、框架梁最大弯矩分别占方案一相应值的100%、99.7%、98.7%、103.8%。

表2 施工模拟方案结构内力对比

3.2 弹性分析

桁架杆件以承受轴力为主,其内力主要由竖向荷载控制,图7为连廊在恒载作用下轴力分布示意图,图中红色为受压杆件,黄色为受拉杆件,桁架斜腹杆所受压力最大,最大压力为4268.2kN。

图7 恒载作用轴力分布示意图

连廊首层层高远大于标准层层高,且在上部楼层布置整层通高桁架,连廊上部楼层侧向刚度远大于连廊首层侧向刚度,给出连廊在X向地震作用下的层间位移角,如图8所示。

图8 连廊X向地震作用下层间位移角

由图8可知,X向地震作用下,连廊2～4层层间位移角基本相同,表明连廊上部楼层整体受力变形。故连廊在X向本质上是一个两跨单层框架结构,连廊X向结构体系演变示意见图9。

图9 连廊X向结构体系演变示意图

结构进行多遇地震弹性分析时采用振型分解反应谱法,阻尼比取0.04。连廊在多遇地震作用下的静力弹性分析结果如表3所示。由表3知,两种软件计算得到的结构自振周期基本相同,前3阶振型均分别为X向平动、Y向平动和扭转。其他指标在两个不同力学模型下的计算结果也相吻合,且均满足抗规要求。

表3 连廊静力弹性分析结果

4 专项分析

4.1 性能化设计

本工程抗震性能目标取为C级,即构件需满足“中震弹性、大震不屈服”的性能目标。中震弹性设计时,计算参数与小震时保持一致。大震不屈服工况计算采用等效弹性模型,结构阻尼比取0.05,周期折减系数取1.0。

中震和大震工况下的内力计算均采用直接分析法。计算得到的各工况下的构件应力比如图10所示。由图10可知,中震弹性和大震不屈服工况下的各杆件应力比均小于1.0,结构能够满足预定的“中震弹性、大震不屈服”的抗震性能目标。

图10 不同工况下杆件应力比

4.2 屈曲分析

连廊特征值屈曲分析结果如图11所示,由图可见,其前3阶屈曲模态与结构前3阶振型保持一致。最小屈曲因子为59.6,远大于《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010 )[16]要求。

图11 特征值屈曲模态

考虑结构的整体初始缺陷、几何非线性和材料非线性对连廊进行非线性屈曲分析。结构初始几何缺陷采用结构的最低阶屈曲模态,缺陷的最大计算值取跨度的1/300。计算得到非线性屈曲分析的屈曲因子-位移曲线如图12所示。

图12 非线性屈曲分析屈曲因子-位移曲线

由图12可知,考虑初始缺陷和几何、材料双重非线性时,结构临界屈曲因子为8.18,满足《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010 )[16]的要求。屈曲因子为8.18时,结构仍能保持整体稳定,继续增加荷载,桁架受压斜腹杆发生屈曲,结构整体稳定承载力受到削弱,屈曲因子增加到8.84时,结构发生整体失稳,位移云图如图13所示。

图13 屈曲因子为8.84时的位移云图/mm

结构整体失稳由桁架受压斜腹杆屈曲引发,受压斜腹杆为连廊在竖向荷载作用下的关键受力杆件,设计时应予以加强,避免成为结构薄弱部位。

4.3 抗连续倒塌分析

采用拆除杆件法对连廊进行连续倒塌分析,根据4.1、4.2节的分析,分别将桁架受压斜腹杆、框架角柱和中柱定义为关键构件,考虑其失效对连廊连续倒塌的影响,失效模型见图14。

图14 连续倒塌分析失效模型

采用非线性动力分析方法计算得到的三种失效模型跨中节点的时间-位移曲线见图15,终点时刻的位移云图如图16所示。由图15可知,桁架受压斜腹杆、框架角柱、中柱分别失效后,连廊发生一定振动,最终回到平衡稳定状态。图16显示,关键构件失效后,结构未发生连续性倒塌。对比线性静力分析和非线性动力分析的最大位移,得本连廊杆件失效后的结构动力放大系数小于2。

图15 失效模型跨中节点时间-位移曲线

图16 失效模型终点时刻的位移云图/mm

4.4 缝宽计算

为避免连廊在罕遇地震作用下与两侧塔楼发生碰撞,需对结构缝宽进行设计。本节分别采用公式算法和动力时程算法对连廊和两侧塔楼在罕遇地震作用下的位移进行计算,防震缝宽度取两种算法下的位移包络值。

公式算法[17]采用美国建筑规范IBC 2003,根据连廊在小震弹性下的位移推算其大震弹塑性位移,防震缝宽度应大于结构在X、Y两个方向下弹塑性位移的振型组合法(SRSS)组合值。据此计算得到连廊在X、Y向的防震缝宽度分别为Wcx=343.5mm、Wcy=343.5mm。

动力时程算法分别对连廊和两侧塔楼进行动力弹塑性分析,并提取顶层端部节点位移时程曲线。计算连廊与相邻塔楼的结构缝宽时,偏安全地取最大位移绝对值之和。计算得到的连廊和相邻塔楼在罕遇地震作用下的最大位移差如表4所示,地震波SHW8～SHW14选自上海市《建筑抗震设计规程》(DGJ 08-9—2013 )[18]附录A。由表4知,连廊与相邻塔楼在罕遇地震弹塑性时程分析下的最大位移差为Wcx=297.8mm、Wcy=343.4mm。综上,本工程防震缝宽度取为350mm。

表4 罕遇地震作用下连廊与相邻塔楼最大位移差/mm

4.5 动力弹塑性分析

4.5.1 罕遇地震作用分析

采用Paco-SAP软件对连廊进行动力弹塑性分析。混凝土采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010 )[19]附录C指定的单轴本构模型,钢材和钢筋采用双折线随动强化模型,结构阻尼选用瑞利阻尼,地震波选用上海市《建筑抗震设计规程》(DGJ 08-9—2013 )[18]附录A的SHW8～SHW14。罕遇地震作用下的结构基底剪力、顶点最大位移及最大层间位移角见表5,X、Y向罕遇地震作用下基底剪力与多遇地震计算结果比值分别为5.05、4.93。连廊在罕遇地震作用下构件性能水平云图如图17所示。由表5及图17可知,罕遇地震作用下结构各指标均满足抗规要求,构件性能水平控制在轻度破坏以内,受力性能良好。

表5 罕遇地震作用结构性能计算结果

图17 罕遇地震作用下构件性能水平云图

4.5.2 极罕遇地震作用分析

对连廊进行极罕遇地震作用下结构性能分析时,峰值加速度根据《中国地震动参数区划图》相关规定[20],采用插值法计算为294cm/s2,其他计算参数保持不变。极罕遇地震作用下的结构基底剪力、顶点最大位移及最大层间位移角见表6,X、Y向罕遇地震作用下基底剪力与多遇地震计算结果比值分别为6.76、6.59。连廊在极罕遇地震作用下构件性能水平云图如图18所示。由表6和图18可知,极罕遇地震作用下结构各指标均满足规范要求,构件性能水平控制在中度破坏以内,受力性能良好。

表6 极罕遇地震作用结构性能计算结果

图18 极罕遇地震作用下构件性能水平云图

5 结论

(1)施工模拟顺序对结构内力影响较小。连廊上部楼层整体变形,其X向本质上是一个单层双跨框架结构。

(2)规范公式算法和动力时程计算得到的连廊在罕遇地震作用下的X、Y向最大位移为343.5mm,结构缝宽取为350mm可保证连廊不会与两侧塔楼发生碰撞。

(3)桁架受压斜腹杆为连廊关键受力杆件,其受压屈曲会导致结构整体失稳,结构设计时应予以加强。

(4)桁架受压斜腹杆、框架角柱、框架中柱失效不会引发结构连续性倒塌。

(5)连廊在罕遇地震、极罕遇地震作用下的X、Y向最大层间位移角分别为1/101、1/94和1/72、1/60,满足规范1/50的限值要求。构件性能水平显示连廊杆件在罕遇地震、极罕遇地震作用下的受力性能良好,整体处于中度损伤范围内,能够达到“罕遇地震、极罕遇地震不倒”的设防目标。