某钢结构连廊的结构分析与设计

易凌，郭卫青

（江西理工大学应用科学学院,江西赣州341000）

某钢结构连廊的结构分析与设计

易凌，郭卫青

（江西理工大学应用科学学院,江西赣州341000）

针对一个工程实例，给出了设计思路、分析要点及连接节点，并通过SAP2000与3D3S软件对结构分析对比，指出了设计的要点及需要注意的问题，为类似工程结构设计提供参考.

连廊；空间计算；结构分析；变形；支座

0 引言

随着国家经济的快速发展、建筑造型的日新月异，建筑师们用自己独特眼光把美好的景色融入建筑物.空中连廊是近十几年发展起来的新型建筑形式，尤其是在大型商场、学校、医院等人流密集的建筑群中，连廊既起到疏导交通的作用，也可作为观光台.另外，它使建筑具有独特的外形，带来强烈的视觉效果[1-3].文中应用3D3S与SAP2000对钢桁架连廊进行了比较分析，为以后的结构设计提供参考.

1 工程实例

1.1 工程概况

江西理工大学逸夫实验楼位于赣州市客家大道156号，是一座地下1层地上6层连接结构，建筑总高度21.5 m,东西方向长76 m，南北方向宽63.9 m，分为南北两主楼，两主楼在第5层通过钢结构连廊相连.图1和图2分别为建筑效果图和主体结构平面布置图.连廊高3.6 m，跨度20 m.连廊主体采用钢桁架结构，外包铝塑板，侧墙及屋面均采用中空钢化玻璃.工程地震设防烈度为6度，恒载标准值为2 kN/m2，活荷载标准值为3.5 kN/m2，基本风压为0.3 kN/m2，基本雪压0.35 kN/m2.

图1 建筑效果图

图2 主体结构平面布置图

1.2 钢桁架连廊支座及结构设计

连廊作为两主楼之间的联系构件，其自身刚度相对于主楼较小，在遇到水平地震作用时会产生较大的地震反应.如果钢桁架连廊与混凝土框架结构采用刚性连接支座，在遇到水平地震作用时，只能依靠其自身刚度协调两主楼之间的变形，通过计算分析发现靠近支座的杆件受力较大，杆件应力比大于1.为了协调地震作用下连廊的位移与主楼的位移，连廊与主楼的连接只能采用柔性连接方式[4-12].柔性连接方式通常有两种，一种是橡胶支座，另一种是钢板开长圆孔的普通滑动支座.通过设计过程中不断的试算和总结，以及施工单位和使用单位的信息反馈，认为采用一端铰接（图3）、一端滑动的支座较好（图4）.这种支座的主要优点为：①构造简单，制作容易，施工简单方便，安装快捷；②节约钢材，造价经济，不需要特别维护，后期维护费用极低.铰接支座做法为上弦桁架直接搁置在框架柱的外伸牛腿上，底部钢板只开圆孔.滑动支座也搁置在框架柱的外伸牛腿上，但桁架底部钢板上开有长圆孔，能产生单向滑动.

图3 铰接支座剖、立面图

图4 滑动支座剖、立面图

连廊的结构形式为两榀矩形桁架，桁架所有杆件均采用H型钢，为了提高大跨度桁架的侧向稳定和抗扭转效应.在连廊上弦平面布置部分交叉斜撑，形成水平桁架，由此构成水平几何不变体系.同时在上弦与下弦之间每隔4 m，采用8号槽钢设置剪刀撑一道，形成竖向支撑结构，使得整个连廊形成一个空间几何不变体系，有利于抗扭.钢桁架连廊三维空间结构计算模型见图5.连廊结构计算分析荷载分别为：①恒荷载;②活荷载;③风荷载；④地震作用.荷载组合时，分别考虑了水平和竖向地震作用组合工况，其他荷载组合按照GB50009-2001(2006年版)《建筑结构荷载规范》[13]的要求进行组合.各杆件的截面尺寸如表1.

图5 钢桁架连廊结构计算模型

表1 钢桁架尺寸

1.3 连廊的结构分析

主体和连廊之间采用了一端铰支座和一端滑动支座的柔性连接方式，减小了主体和连廊间的相互影响，由此可将连廊部分单独建模计算.根据计算模型，采用了基于有限元的大型结构计算软件SAP2000对结构进行了空间整体分析，同时采用同济大学的钢结构设计软件3D3S进行校核.钢桁架各根杆件均选用空间梁单元模拟.

1.3.1 结构动力特性分析

结构在强迫振动时各截面的最大内力和位移都与结构的自由振动时的频率和振动形式密切相关，因而研究自振周期和振型是研究强迫振动的关键步骤.动力计算分为两大步骤：其一是结构自由振动分析，即计算自振周期和振型；其二是强迫振动分析，即计算地震作用下结构内力、位移及应力比等相关物理量.

SAP2000程序提供了特征向量和Ritz向量方法进行振动求解.研究表明：基于一个特定荷载相关的Ritz向量组的动力分析比基于同样数量的自由振动振型能得到更精确的结果.所以文中将采用Ritz向量方法对空间桁架计算模型进行模态分析.

由振型叠加可知，结构在任一时刻所受的地震作用等于该时刻各振型地震作用之和.由于每一振型地震作用达到最大值的时刻并不相同，所以采用振型叠加法求结构的最大地震作用也不同.按照抗震规范，采用SRSS方法（中国）进行振型组合来求地震作用.

采用SAP2000程序对连廊结构的动力特征进行计算，得到前9个周期，前4个模态对应振型见图6～图9.现取前5个周期进行比较，如表2所示.结构最大自振周期为0.349 s，振动方向为横向（一阶Y向）平动，说明结构横向刚度较弱，竖向刚度较好.第二、三振动形式分别为扭转和竖向平动.采用3D3S软件进行的计算结果是，结构最大自振周期为0.3656 s，振动方向也为横向（一阶Y向）平动，第二、三振动形式分别为竖向平动和扭转.从最大自振周期上看两者误差在5%之内，第二、第三周期误差较大，而且振动方向有区别.从表2中可以看出，两种软件得出的周期和振型基本相同，误差在较小范围内，这些误差的存在可能是模型的误差和参数误差所导致的，但总体分析结果是一致的.

图6 横向振型

图7 扭转振型

图8 竖向振型

表2 结构自振周期比较

1.3.2 支座反力和位移分析

为了验证刚性连接支座和柔性连接支座对结构的影响，分别对两种方案进行了比较，比较了地震作用组合下支座反力和位移，具体数据见表3和表4（表中“/”是分隔符，表示两种软件计算的不同结果）.

表3 刚接时支座反力/kN（SAP2000/3D3S）

表4 柔性连接时支座反力/kN与位移/mm（SAP2000/3D3S）

由上表可以看出，与刚性连接方案相比，沿跨度方向的水平支座反力有明显降低.2和4号支座由铰支座改为柔性滑动支座后，释放了300 kN的力，然而水平位移只有3.4 mm左右.因此可以认为滑动支座可以显著降低水平反力，减小结构内力的作用.

1.3.3 应力比和变形分析

在进行结构计算时，考虑到结构跨度较大，活荷载较大，所以将应力比最大值限制在0.75.结构在进行正常使用极限状态下计算后的挠度值也应该在规范的允许范围内，同时还考虑到窗和走廊顶部都是钢化玻璃，对结构的变形要求较高.根据玻璃幕墙工程技术规范（JGJ 102-2003）[14]规定，吊挂全玻幕墙的主体结构或结构构件应有足够的刚度，采用钢桁架或钢梁作为受力构件时，其挠度限值df，宜取其跨度的1／250.通过两种软件的计算得出挠跨比均满足规范要求，计算结果见表5和表6（表中“/”是分隔符，表示两种软件计算的不同结果）.

表5 各杆件应力比

表6 各工况下挠度和位移（SAP2000/3D3S）

2 结论

对空间连廊桁架结构用SAP2000与3D3S进行了分析研究，得出以下结论：

（1）连接方式.连廊与主体结构的连接方式有很多种，具体采用何种方式连接应取决于连廊的的跨度、刚度和连廊所处的位置等因素.对于跨度较小，位置不高的连廊结构可以采用一端铰接、一端滑动的连接方式.这种节点方式不仅施工方便，而且设计的节点也与计算模型吻合，同时滑动支座水平位移也不大，对结构也有利.

（2）结构分析方式.对采用刚性连接方式的连廊结构，需要对连廊与主体结构进行整体建模分析.对采用柔性连接方式的连廊结构，则可以采用对连廊单独建模，得到支座反力后，再作为荷载对主体结构进行计算.

（3）结构软件.大跨度空间桁架结构需采用三维空间计算软件对工程结构进行整体分析，从而确保桁架结构设计的安全性、适用性、经济性和合理性.大跨度空间结构还需要采用两种以上三维空间计算软件进行对比和校核.采用这种方式能使设计者对结构的性能更加了解，同时对结构的薄弱部位做出精准的判断.

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[13]GB50009-2001.建筑结构荷载规范[S].

[14]JGJ 102-2003.玻璃幕墙工程技术规范[S].

Structural analysis and design of a steel linked structure

YI Ling,GUO Wei-qing

(Faculty of Applied science,Jiangxi University of Science and Technology,Gangzhou 341000,China)

Thedesignthought,pointsofanalysisandconnectednodesaregivenonacertainproject.Theperformance of structure is analyzed and contrasted by two software named SAP2000 and 3D3S separately.The keypoints in design and what should be emphasized during designing as reference for designing such project are stated.

linked structure；three-dimensional calculation；structural analysis；deformation；support abutment

TU318

A

2011-10-09

江西理工大学校级科研资助项目（JXXJ11151）

易凌（1976-），男，讲师，主要从事钢结构、高层建筑结构抗震等方面的研究，E-mail：ying76326@163.com.

2095-3046（2012）03-0043-04