双塔高层狭缝处高空钢结构连廊设计

郑济坤

(厦门合立道工程设计集团股份有限公司 福建厦门 361000)

0 引言

随着建筑技术的不断提升，双塔高层间采用连接体连接的建筑形式日益常见。伴随着此类建筑形式的发展，分析此类结构的受力特点并采用合理的设计手段日益重要，尤其在我国东南一带区域。首先，东南沿海风灾频繁且烈度大，双塔高层的狭缝区域又极易出现风速突然增大的情况，需深入分析狭缝效应对结构风荷载的影响[1]；其次，狭缝处的高空连接体易在地震作用下受损，如何确保连接体结构满足“三水准”抗震设防要求亦是值得设计人员深入思考；最后，需运用多道设防思想，保证连接体与主体结构的连接安全可靠。

本研究拟结合某实际工程，对高空连廊常见的风荷载狭缝效应、抗震设防设计以及与主体的连接节点展开详细的分析，为双塔高层狭缝处高空连廊的结构设计提供参考。

1 工程概况

某工程位于泉州市丰泽区，为办公建筑，整体效果图如图1所示。地块东侧两栋塔楼为双塔高层，高度分别为100m和132m，狭缝宽度约17m；狭缝处通过5座连廊连接，相邻连廊竖向间距为15m。

图1 双塔高层地块效果图

该工程地处泉州市郊，抗震设防类别为丙类；抗震设防烈度为7度(0.15g)，设计地震分组为第三组；场地类别：III类；50年一遇的基本风压：0.70kN/m2，地面粗糙度类别为B类。

2 风荷载狭缝效应分析

2.1 数值风洞模型

通过流体有限元软件建立数值风洞模型，主体模型如图2所示。计算域大小为1400m×1000m×500m(高)，阻塞率约2.6%。连廊采用高度2m的管型结构建模，以便充分了解连廊各部位风压分布情况[2]。

图2 数值风洞的主体模型

输入风向采用正对双塔狭缝，与高空连廊垂直的正反两个方向。经计算对比，由于楼栋遮挡原因，正向风向(图2箭头方向)产生的风压大于反向。因此，下述分析均采用正向风向的数据结果。

2.2 狭缝处风速及风压特点

图3为计算域中高度为50m处的X向风速横截面，计算时假定该高度处入口风速为14m/s。

从图3中可以看出，狭缝前部风速减小至12m/s，而狭缝后部风速明显加大，峰值达18m/s，为来流方向风速的1.5倍。

图3 狭缝处的风速变化图

将管型连廊模型表面划分为迎风面、背风面、上下表面等4面。根据定义，建筑体型系数即刚性模型表面压强/来流方向风力压强，据此处理结果数据，得到图4、图5、图6分别为迎风面、背风面、上下表面的体型系数。

从图4可以看出，连廊迎风面的体型系数为0.8，背风面系数为-1.3；上表面体型系数为-1.6，下表面系数为-2.0。对比规范中矩形建筑物的体型系数，狭缝处连廊表面该系数显著增大。为了分析狭缝效应对连廊表面风压的影响，定义狭缝影响系数α。各表面体型系数及狭缝影响系数如表1所示。

图4 连廊迎风面体型系数

图5 连廊背风面体型系数

图6 上表面(左图)、下表面(右图)体型系数

从表1可以看出，狭缝对迎风面风压无影响，而狭缝处背风面、上下表面负压约为规范值的2.5倍。据此，得出该双塔高层的风压狭缝影响系数为2.5，影响面为狭缝处背风面及上下表面。

表1 连廊各表面风压的狭缝影响系数

3 高空连廊抗震设防设计

3.1 结构形式

该工程连廊两端建筑体型、自振周期及振型差异较大，同时狭缝宽度不大，故采用两端悬挑的结构形式，如图7所示。悬挑形式能避免地震作用下两端主体不协调变形带来的破坏，同时使连接节点的处理更加简洁。

图7 悬挑连廊结构平面图

同时，考虑到高空大跨度结构的重要性，增加竖向斜撑作为竖向荷载下的第二道防线，如图9所示。整体悬挑形式采用工字型悬挑梁+钢骨内伸段+斜撑杆组合形式。竖向斜撑增大了竖向刚度，有效减少了竖向地震作用下的端部位移；同时，减少了单一悬挑结构的竖向风振效应，有利于抗风。

图8 连廊结构立面图

根据规范要求，主楼连廊悬挑7.0m，根据规范采用振型分解反应谱法计算大跨、大悬挑结构的竖向地震作用[3]。反应谱采用规范标准反应谱曲线，竖向地震影响系数最大值取为水平地震影响系数最大值的65%，阻尼比取0.05，设计地震分组取第三组，采用3D3S进行计算分析，竖向振型取30个。

为了斜撑能起到第二道防线的作用，计算过程中采用带斜撑的铰接模型与单悬挑的刚接模型包络设计，两种模型下内力与位移均满足规范要求。表2为连廊构件表。

表2 连廊钢构件表

3.2 抗震缝处理方式

悬挑连廊中部的抗震缝的设置需保证各悬挑部分能自由变形，且连廊钢结构不发生碰撞损坏。连廊最高点为85m，按规范计算缝宽为250mm[3]。本文计算出最高点处(17F)不同地震工况下两主体的相对位移，如表3所示。

表3 不同地震作用下各主体的相对合位移

由表3可以看出，取缝宽为250mm，能保证小震及中震作用下结构不发生碰撞；同时利用建筑楼层的高差，在高度上错开悬挑，采用附属构件(如台阶)解决高差，如图8所示，大震作用下仅局部台阶发生碰撞损坏，保证钢连廊主体结构不发生破坏。地面变形缝可选用能够适应较大缝宽的楼面嵌平型成品盖缝板。

4 悬挑端连接节点分析

4.1 悬挑刚接节点形式

该工程悬挑刚接节点，采用型钢混凝土柱结合内伸钢骨的形式，便于刚接节点弯矩的有效传递。本文采用有限元分析的方法对该节点的内力分布展开探讨。图9为型钢混凝土柱结合内伸钢骨的基本形式。

图9 型钢混凝土柱结合内伸钢骨节点

采用梁端力加载的方式，以竖向恒活与风荷载组合下的内力作为加载组合，如表4所示。模型约束条件为钢梁前端部自由，其余采用固定约束[4]。

表4 钢梁根部内力组合

混凝土为C30混凝土，钢材采用Q345B。混凝土本构模型采用总应变裂缝模型；受拉本构关系采用Hordijk模型，抗拉强度2.01MPa；无约束混凝土受压本构关系采用Thorenfeldt模型，抗压强度20.1MPa。钢材采用Von-Mises双线型本构模型，初始屈服强度345MPa[5]。

4.2 应力应变分布情况

图10为型钢的Mises应力分布图，可以看出，在钢梁与混凝土柱的交接处出现了最大应力为188MPa，未达到钢材的屈服强度；型钢柱中应力不大，较大应力出现在与钢梁翼缘相交的加劲肋，为50MPa；内伸段钢骨应力很小，约为10MPa左右。

图10 型钢的Mises应力分布图

图11为钢梁交接处混凝土的主应力分布图，可以看到交接边缘由于应力集中，主拉应力超过了混凝土的抗拉强度，主压应力最大为16MPa。

图11 混凝土主拉应力(左)、主压应力(右)图

为了分析混凝土达到极限拉应变的区域，提取极限拉应变等值面图，取混凝土极限拉应变为0.0001，如图12所示。可以看出，从柱中型钢翼缘到混凝土外表面的区域，靠近钢梁上翼缘处混凝土大部分达到了极限拉应变，此区域混凝土出现开裂；同时，该处柱型钢加劲肋出现较大应力，以传递钢梁端部的弯矩及剪力。

图12 混凝土极限拉应变等值面图

综之，分析结果可以看出，采用型钢混凝土柱结合内伸钢骨的节点形式，在荷载作用下，钢材未出现屈服，混凝土未发生压碎破坏，能满足该组合工况下的受力要求；同时，在钢梁与柱交接处混凝土开裂的情况下，该形式节点能有效保证钢梁端部弯矩及剪力传递。

5 结论

(1)通过数值风洞的模拟，得到双塔高层狭缝处连廊的风压狭缝影响系数为2.5，影响面为狭缝处背风面及上下表面，同时，狭缝对迎风面风压无影响。此影响系数值可作为类似工程初步设计的参考值，并应考虑同时进行风洞试验，以得到更详细准确的设计依据。

(2)连廊两端建筑体型、自振周期及振型差异较大时，宜采用悬挑形式连廊，减少结构的复杂程度。悬挑形式采用工字型悬挑梁+钢骨内伸段+斜撑杆组合形式，能有效减少结构在狭缝处风荷载下产生的风振响应及竖向地震下的损伤。

(3)抗震缝的取值满足建筑抗震设计规范的要求。通过计算不同地震工况下两主体的相对位移，同时采取抗震缝两侧形成高低差的处理方式，验证了该缝宽取值能满足小震、中震作用下不碰撞，大震作用时仅次要构件发生碰撞破坏的要求。

(4)悬挑刚接节点采用型钢混凝土柱结合内伸钢骨的形式，能满足组合工况下的受力要求。同时，在钢梁与柱交接处混凝土开裂的情况下，该形式的节点能有效地保证钢梁端部弯矩及剪力的传递。

[1] 张敏,楼文娟,何鸽俊,等. 群体高层建筑风荷载干扰效应的数值研究[J]. 工程力学,2008(1):179-185.

[2] 傅小坚. 双塔高层建筑风荷载干扰效应的数值模拟研究[D].杭州：浙江大学,2007.

[3] GB50011-2010 建筑抗震设计规范(2016版)[S]. 2016.

[4] 崔田田. 钢梁-型钢混凝土柱节点的力学性能研究及有限元分析[D].北京：中国石油大学,2011.

[5] 蓝声宁. 钢梁-型钢混凝土柱节点受力性能的有限元分析[D].西安：西安科技大学,2004.