多层框架连廊结构柔性连接设计及计算分析

周 露，黄襄云，沈朝勇，马玉宏

(广州大学工程抗震研究中心，广东 广州 510405）

0 引言

随着建筑的发展需要，现代建筑的功能要求越来越复杂，出现了各种综合连体建筑。为了满足各部分主体结构间的联系和使用要求，常在主体部分和附属部分之间设置连廊，形成带连廊的结构形式。带连廊的建筑结构是目前建筑中常用的一种建筑结构形式。在连廊与主体间的连接方式主要采用以下几种处理方式：刚性连接、铰接连接、滑动连接、柔性连接[1]。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)中规定：连接体结构与主体结构宜采用刚性连接[2]。为此，在连接方式选择上以连廊与主体结构刚性连接的偏多。刚性连接使各相连主体结构之间相互影响而出现耦连现象，也使连接部位的应力变得非常复杂。历次的地震震害也表明，连廊结构在中、强地震作用下极易与主体结构脱离，发生整体塌落现象。这使连廊结构的设计成为一个难题。目前，我国 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）对设连廊的复杂体型建筑的设计还缺乏充分的技术指引[3]。国内外许多专家学者对连廊结构进行了研究，包括对多塔楼高层建筑连廊结构的连接方式进行理论分析和振动台试验研究[4]；探讨连接体位置发生变化对结构体系抗震性能的影响等[5]。

本文采用了一种介于刚接与滑动连接之间的连接方式——橡胶隔震支座的柔性连接[6]，结合实际工程，代替传统的刚性连接做法。探讨了柔性连接对结构动力特性的改善和提高建筑的抗震性能的有效性；采用SAP2000 Nonlinear结构分析程序，对框架连廊结构进行计算分析，通过对连廊采用柔性连接和刚性固结进行对比分析，对结构的抗震性能进行了评价，可为带连廊结构的设计提供参考。

1 工程概况

该工程为多层框架连廊结构，包括2栋5层的普通钢筋混凝土厂房主体结构和位于中间的1栋5层的普通钢筋混凝土附属楼，平面布置如下图1所示。厂房主体地面以上高度为24.6 m，附属楼地面上高度为23.6 m，地下高度均为1.4 m。但是附属楼与厂房主体每层都存在一定的高差，形成了错层。在结构设计中，两栋厂房主体与附属楼两端之间均沿竖向设有3座独立的钢结构连廊，形成对称的连廊结构。3座连廊的标高分别为6.2 m、14.1 m和18.6 m，连廊两端标高一致，连廊跨度为17.0 m，宽度为25.2 m。结构的立面示意图如下图2所示。

2 柔性支座节点设计

图1 结构的平面布置图Fig.1 Plane layout of the structure

图2 连廊结构的立面图Fig.2 Elevation view of corridor structure

该工程的柔性连接采用铅芯叠层橡胶支座，设置在连廊与主体结构的连接处，每个连廊与主体间均通过8个橡胶柔性支座连接。柔性支座选取LRB500-G4-Tr100-C90型号，其力学性能参见下表1。

柔性支座的连接构造如下：柔性支座上端与连廊的纵向主梁相连，支座下端板与主体结构柱伸出的牛腿相连；柔性支座与连廊及主体结构均采用高强螺栓连接。柔性支座在大震作用下在平面内应能自由变形为避免连廊与主体结构发生碰撞，在支座四周均预留有300 mm的空隙，与竖直固定物间的脱开距离不得小于15 mm。为了防止柔性支座在罕遇地震作用下发生过大的变形，柔性支座四角处各设置一个阻尼限位条，以防止柔性支座产生过大位移而使连廊产生塌落。柔性连接节点大样如图3所示。

表1 柔性支座力学性能参数 (LRB500-G4)Table 1 Mechanical property parameters of flexible support(LRB500-G4)

图3 连廊柔性支座节点大样详图Fig.3 Structural drawing of flexible bearing

3 柔性支座在风荷载作用下的计算

考虑到连廊在顺桥向所受的风荷载较小，本文只进行了连廊侧迎风面风荷载的计算，由于对称，两端的连廊受力相同，表2为1#与2#楼之间左端连廊风荷载迎风面 （X向）计算结果，其他各处连廊计算结果与此相同。表中Fk为单个连廊总的风荷载标准值，ΣKeq（50%）为连廊柔性支座变形为50%的总等效刚度，δ为风荷载作用下柔性支座水平剪切变形。

表2 1#与2#楼之间连廊风荷载迎风面 （X向）计算结果Table 2 Calculation results of wind load windward side (X direction)between 1#and 2#

4 柔性支座在温度作用下的计算

为简化计算，将连廊简化为一轴向杆件，计算其在温度荷载作用下的轴向变形，温度变化按±20℃变化进行水平变形计算。

1#楼与 2#楼之间连廊 （LA1、 LA2、 LA3）：

每个柔性支座顺桥向的水平变形为4.08/2=2.04 mm。由于连廊对称，各端在相同标高位置处的连廊柔性支座在温度作用下的轴向变形相同。

5 结构计算分析

该多层框架连廊建筑属丙类建筑，位于设防烈度为7度的地震区，场地类别为Ⅱ类，主体框架抗震等级为二级。用SAP2000 Nonlinear程序进行了结构三维空间有限元时程分析。采用空间杆件模型，结构中柔性支座的非线性属性采用隔震支座 （Isolator1）单元来模拟。输入了El Centro-EW、El Centro-NS、North Tar-360、Taft-EW、Taft-NS波共5条实际地震记录的天然波，还输入了与实际场地相符合的3条人工合成加速度时程的场地波，分别为WAVE1、WAVE2、WAVE3波。结构计算模型如下图4所示。

5.1 结构自振周期与振型参与系数

连廊和主体结构分别采用柔性支座连接和固接时，结构前12阶周期和振型参与系数见表3。

图4 结构三维有限元计算模型Fig.4 Three-dimensional finite element calculation model of structure

表3 连廊柔性连接和固接时结构的周期和振型参与系数Table 3 Periods and model participation factors of structure as corridor with flexible or fixed connection

从SAP2000分析后显示的各阶振型得知：结构的振动以各个单体的第一振型为主，其中前3阶振型为中间单体的振动，4～6阶振型为两边对称主体的振动；且两端柔性连接的第一周期比固结连接方式大10.09%。结合周期计算公式可说明：固结连接方式的结构整体刚度比柔性连接方式的要大，两端柔性连接的结构整体刚度相对要小些。连廊和主体结构采用柔性连接时的周期比采用固接时稍有增加。

5.2 加速度反应分析

小震激励下，连廊和主体之间分别采用柔性连接和固接时，在8条地震波作用下主楼结构加速度反应平均值见图5。当对结构输入罕遇大震激励时，分别采用柔性连接和固接时的主楼结构的加速度反应对比见图6。

图5 小震作用下固接和柔性连接主楼结构加速度反应对比图Fig.5 Comparison of accelerations of structure with fixed or flexible connection under small earthquake

图6 大震作用下固结和柔性连接主楼结构加速度反应对比图Fig.6 Comparison of accelerations of structure with fixed or flexible connection under strong earthquake

通过固结和柔性连接主体结构加速度反应平均值图比较可知：连廊采用柔性连接时楼层的加速度反应比采用固接时的小，说明采用柔性连接大多数楼层的加速度值是减小的。

5.3 位移反应分析

小震作用下，连廊和主体之间分别采用柔性连接和固接时，在8条地震波作用下主楼结构层间位移反应平均值见图7；当对结构输入罕遇大震激励时，分别采用柔性连接和固接时的主楼结构的层间位移反应对比如图8所示。

图7 小震作用下固接和柔性连接时主楼结构层间位移反应对比图Fig.7 Comparison of displacements of structure with fixed or flexible connection under small earthquake

图8 大震下固接和柔性连接时主楼结构层间位移反应对比图Fig.8 Comparison of displacements of structure with fixed or flexible connection under strong earthquake

通过固结和柔性连接主体结构层间位移反应对比可知：柔性连接的层间位移反应比刚性固结的要小；采用柔性连接后，层间位移有一定幅度的减小。不同连接方式的层间位移反应平均值的图形形状大体一致，连廊位置处的层间位移较大，说明由于连廊的存在，使结构沿竖向刚度有突变，但是采用柔性连接，这种趋势得到改善，能有效的削减由于刚度突变而造成的薄弱部位存在现象。

5.4 柔性支座的大震反应

采用时程分析法，对带连廊的整体结构进行了7度大震计算，表4及表5为8种地震波在X向、Y向输入下柔性支座的水平剪切变形反应。

表4 各柔性支座在大震X向地震波输入下X向位移反应值Table 4 Displacement of flexible bearings with seismic wave input in X direction

表5 各柔性支座在大震Y向地震波输入下Y向位移反应值Table 5 Displacement of flexible bearings with seismic wave input in Y direction

从表中计算的各柔性支座在大震下的位移反应值均没有超过柔性支座的水平极限变形限值275 mm，这表明，橡胶柔性支座的允许最大水平位移仍大于罕遇地震变形需求的位移，柔性支座有足够的安全裕量。

5.5 结构基底剪力分析

在多遇地震作用下，结构最大基底剪力见下表6。

表6 小震时结构最大基底剪力Table 6 Maximum base shear under small earthquake

从表可以看出，由于采用柔性连接,结构的约束产生了改变，在小震作用下结构的最大基底剪力，柔性连接时的最大基底剪力明显比固结连接时的小。由表可见，采用柔性连接后最大基底剪力平均减小了28.54%。

5.6 柔性支座的滞回性能和结构耗能性能分析

从历年的震害分析中工程师越来越意识到：强度和位移不能完全反映地震对结构的影响。1926年Housner提出了能量法概念，用地震能量在结构中的传递、吸收与转化情况来反映结构破坏的情况[7]。从能量角度而言,减小地震破坏的基本原则主要是以适当的方式减小或消耗地震输入的能量[8]。

在结构中采用柔性连接来耗能,如橡胶垫、阻尼器等,随着结构侧向变形的增大，耗能构件或消能装置率先进入非弹性状态，产生较大阻尼[9]，利用这些耗能元件的阻尼及滞回耗能来减小地震能量。计算时要考虑橡胶垫的非线性性能。图7为小震作用下柔性连接时隔震支座的剪力-变形滞回曲线图。从图中可以看出,隔震支座的滞回能大于零，且滞回环比较饱满，在地震时耗能元件表现了良好的耗能性能。这表明柔性连接是对抗震是有利的。

图7 小震作用下地震总输入能量和滞回特性Fig.7 Earthquake total input energy and hysteresis behavior under minor earthquake

6 结论

采用SAP2000 Nonlinear结构分析程序，对该多层框架连廊结构进行三维有限元计算分析，通过对连廊采用柔性连接和刚性固结进行对比分析，可得到如下结论：

（1）在风荷载和温度荷载作用下，支座水平剪切变形较小，支座未进入屈服状态，处于弹性阶段。

（2）连廊采用柔性连接时，连体结构自振周期延长，楼层加速度和层间位移减小，基底剪力明显减小，结构在连廊连接处的受力状况得到改善。

（3）柔性连接构件具有一定的耗能性能，能起到耗散地震能量的作用，提高了连体结构的抗震性能，确保结构的抗震可靠性。

（4）采用柔性连接来处理连廊与主体之间的连接，能改善连体结构的动力特性和动力响应，提高连体建筑的抗震性能。

因此，建议在带连廊的连体结构设计中，宜优先考虑选用柔性支座连接方式。

[1]刁云云，黄襄云，刘坚.带连廊结构柔性连接体系的研究[D].广州：广州大学，2007.

[2]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]陈伟军，刘永添，苏艳桃.带连廊高层建筑连接方式设计研究[J].建筑结构学报，2008，3(1)：73-76.

[4]黄襄云，刁云云，谭平，等.多塔楼高层建筑连廊结构的柔性连接设计及试验研究[J].地震工程与工程振动，2007，12(27)：112-118.

[5]杜永峰，李春锋.连体位置对单轴对称连体结构地震响应的影响[J].四川建筑科学研究，2009，2（35）：157-160.

[6]沈朝勇，徐丽，金建敏.某大厦多座连廊柔性支座计算分析和设计[J].国外建材科技， 2005,2(26)：70-72.

[7]HousnerGW,Lim it design of structure of resist earthquake[C]//Proc.Of 1 WCEE,Berkeley,CA,1956.

[8]党 育，杜永峰，李 慧.基础隔震结构设计及施工指南[M].北京：中国水利水电出版社，知识产权出版社，2007.

[9]周福霖.工程结构减震控制[M].北京：地震出版社，1997.