泸州西南商贸城重型钢结构连廊群分析与设计

仝书敬 江 涛 王 柳 冯晓东

(1.浙江精工钢结构集团有限公司，浙江 绍兴 312030；2.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000)

通信作者：冯晓东(1987— )，男，浙江绍兴人，绍兴文理学院土木工程学院讲师，博士，研究方向：大跨度空间钢结构及智能结构研发.

1 工程概况

中国(泸州)西南商贸城位于四川省泸州市龙马潭区，是千年商都泸州批发市场的现代化延伸工程，整个项目规划为大型市场区、精品市场区和附属配套区三大功能区，是汇集服装、鞋包、小商品、家居建材、副食干货、五金机电等商品研发、生产、加工、展示、交易和电子商务为一体的一站式综合商贸批发平台，也是辐射川、渝、黔、滇交界区域8市75个区县6 000万人口的省际商贸中心.

该项目二期工程总建筑面积约48万m2，分为B、C、D、F、H、J等6个地块，包含专业市场、仓储、商业配套等功能区，由18栋多层商业楼和数百个钢连廊组成.本文所讨论的重型钢连廊位于B、C区.B、C区各由5排单体通过多个钢连廊连接为一个整体，各单体的主体采用钢筋混凝土框架结构，地下1层，地上4层，地面以上高度约20.4 m.钢连廊共120个，主要连接于主结构的3层(标高+10.850 m)和4层(标高+15.65 m)，建筑面积约1.5万m2.图1、图2分别为B、C区钢连廊的平面布置图.

2 钢连廊结构设计

根据建筑要求，钢连廊均为单层结构，共包含56个轻型连廊和64个重型连廊.其中：轻型连廊仅供人员通行，平面均为规则的矩形，尺寸约为8.3 m×2.7 m(跨度×宽度)；重型连廊可供人员和车辆通行，根据外形分为8个异形连廊和56个矩形连廊.异形连廊的最大外轮廓尺寸为17.5 m×16.2 m，矩形连廊的最大尺寸为17.5 m×11.75 m.

图1 B区钢连廊平面布置图

图2 C区钢连廊平面布置图

本工程连廊自身刚度相对主体较小，较难起到协调两个主体结构变形的作用，因此连廊与主体结构之间采用弱连接方式[1]，即一端铰接一端滑动，该连接方式可大幅度降低主体和连廊之间的影响，计算中可将连廊部分单独建模分析.计算主体时，可仅将连廊在各工况下的支点反力作为施加于其上的外力[2].考虑到本项目中连廊数量居多，设计时将其120个连廊进行分批设计计算，主要分为重型异形连廊、重型矩形连廊、轻型矩形连廊三大类.以下重点介绍跨度最大的重型矩形和重型异形钢连廊的设计方案.

2.1 设计荷载取值

设计荷载是结构分析的重要依据，取值是否合理准确将直接影响结构的安全性和经济性.本工程重型连廊需满足行人、行车要求，活荷载取10 kN/m2；轻型连廊仅需满足行人通行要求，活荷载取3.5 kN/m2.

本工程所在地区50年一遇的基本风压为0.30 kN/m2，地面粗糙度类别为B类.结构温度荷载考虑±25℃.地震设防烈度为6度(0.05 g)，水平地震对结构不起控制作用，且按照《建筑抗震设计规范：GB50011—2010》第5.1.1条规定，仅当设防烈度8度及以上时需考虑竖向地震作用[3]，因此本工程连廊设计时，仅考虑结构构造上满足抗震要求.

2.2 矩形连廊结构选型对比分析

矩形连廊最大跨度17.5 m，宽度11.75 m.结构初步设计时提出了3个方案，见图3、图4和图5，具体如下：

图3 矩形连廊结构方案1

图4 矩形连廊结构方案2

图5 矩形连廊结构方案3

方案1的钢梁竖向布置，与混凝土梁铰接.方案2的钢梁横向布置，钢梁与钢梁铰接，与混凝土柱铰接.方案3两端设钢横梁，其余钢次梁竖向布置，钢梁与钢梁铰接，与混凝土柱铰接.

分别计算3个方案的用钢量、挠度、支点反力等指标并进行对比分析，对比原则如下：

(1)板厚、荷载相同；

(2)主梁最大应力比控制在0.8左右，次梁应力比控制在0.9左右.

计算结果见表1.由表1可知：

表1 矩形连廊不同结构方案对比表

方案钢梁截面用钢量/(kg·m-2)挠度值/mm反力/kN1H950X300X18X30113.760.09312H1200X400X25X35H650X300X12X20168.956.41 2233H950X400X18X30H950X300X18X25130.562.581 264

注：钢梁材质均为Q345B.

方案1为用钢量最省、传力最直接的方案，但钢梁需搭接在钢筋混凝土柱和钢筋混凝土梁上，且钢梁反力较大，钢筋混凝土梁截面B300X800无法满足受力要求.

方案2可避免钢梁与混凝土梁搭接，但用钢量在3个方案中最大且钢梁高度最大为1.2 m.本层层高为5.6 m，建筑要求净高为4.4 m.扣除钢梁高度，还需考虑楼板厚度及地面面层厚度，因此该方案无法满足净高要求.

方案3两端设钢横梁，其余钢次梁竖向布置.经计算钢梁最大高度为950 mm，考虑150 mm楼板厚度，可以满足建筑净空要求.该方案用钢量较方案2有所减少，同时避免了与钢筋混凝土梁搭接，既满足了建筑净空要求，且将对土建结构的影响降至最低.

综上所述，选择方案3为最终结构方案.

2.3 异形连廊选型对比分析

本项目部分连廊为弧形建筑边线，根据造型需要以及主体结构设计要求，钢结构构件只允许与钢筋混凝土柱连接，考虑如图6、图7和图8三种方案.方案1与方案2相比，主梁布置相同，仅改变左半部分次梁布置方向；方案3对方案2的主梁布置进行了优化调整.结构整体计算均采用中国建筑科学研究院编制的PKPM软件(V3.1版本)，钢结构构件主要考虑构件的应力和挠度，三种方案对比原则如下：

(1)板厚、荷载相同；

(2)主梁最大应力比控制在0.8左右，次梁应力比控制在0.9左右.

分别计算3个方案的用钢量、挠度、支点反力等指标并进行对比分析，计算结果见表2.由表2可知：

图6 异形连廊结构方案1

图7 异形连廊结构方案2

图8 异形连廊结构方案3

方案1中的杆件数量较少，左半部分次梁竖向布置，端部采用转换横梁.由于次梁跨度较大，为17.8 m，且受楼板跨度限制需采用两道次梁，因此该方案总用钢量偏大.

方案2左半部分次梁横向布置，虽竖向挠度稍有增加，但总用钢量和支座反力均较小，整体性能优于方案1.

与方案2相比，方案3主要改变最右侧主梁的布置位置，在用钢量基本不变的情况下，支座反力减少了17.34%.

综上所述，选择方案3为最终结构方案.

表2 异形连廊不同结构方案对比表

方案钢梁截面用钢量/(kg·m-2)挠度值/mm反力/kN1H950X300X18X25B950X450X35X35HN396X199X7X11HN300X150X6X9231.557.119162H950X400X16X20B950X450X35X35H500X200X10X12HN396X199X7X11HN300X150X6X9167.973.018513B950X450X50X50H950X450X18X30H950X400X18X25H750X250X16X20H450X200X8X12HN300X150X6X9173.561.41530

注：钢梁材质均为Q345B.

3 连廊群整体温度作用分析

当杆件两端受到约束时，杆件会随着环境温度的升降产生伸缩从而在杆件内部产生压(拉)应力.这种应力对钢结构本身和与其连接的结构均会产生不利影响，因此应尽量采取一定的措施降低温度作用的影响.

本工程采用Midas Gen对连廊群温度效应进行分析.模型基本宽度取为钢连廊宽度17.5 m；模型基本长度取4个连廊和5排混凝土结构，总长度为130 m；其中，混凝土柱底采用刚接，温度作用均考虑升温25℃，如图9所示.

为研究不同层数和不同边界条件下，钢连廊与主体结构的整体模型对温度作用的响应规律，分别选取钢连廊两端均为铰接的单层、2层、3层、4层模型，以及单层模型中两端铰接和一端铰接一端滑动两种边界进行分析.

图9 钢连廊与混凝土结构温度作用基本模型

图10和11分别给出了升温25℃、两端铰接时不同层数下整体结构的Y向位移云图和轴力图.图12给出了升温25℃、单层连廊采用一端铰接一端滑动支座形式时，整体结构的Y向位移云图.其中，Y向为结构长度方向.

(1)由图10可知，当结构升温25℃时，最大轴向位移均出现在端部，且随层数增高而增大，最大值为18.1 mm.

(2)由图11可知，钢连廊中的杆件轴力最大值均出现在底层，且单层时钢连廊内力最大，最大值为1 079 kN，2层、3层、4层时底层钢连廊内力较单层稍有减小，约为970 kN.

(3)随着层数的增多，2层以上钢连廊内力呈逐渐减小的趋势.因此，如果连廊数目较多，可偏安全地按单层钢连廊进行温度作用分析.

(4)由图12可知，钢连廊与钢筋混凝土结构采用一端铰接一端滑动连接，当升温25℃时，钢梁最大轴向位移为2.45 mm(沿滑动方向)，此时钢梁轴力为0.与两端铰接模型对比，支座处的轴向力减小了1 079 kN.

图10 升温25℃，两端铰接时整体结构位移云图

图11 升温25℃，两端铰接时杆件轴力图

考虑到结构的重要性，本工程对于重型连廊偏安全考虑采用一端铰接一端滑动的支座结构形式设计与计算，支座节点形式如图13所示.对于跨度较小的轻型连廊，钢梁与混凝土梁的连接采用长圆孔设计[4]、承压型高强螺栓连接，既能满足受力要求，又使温度作用得到释放，如图14所示.滑移量的大小需综合考虑温度作用、主体结构大震弹塑性变形等因素确定[5].

图12 升温25℃，一端铰接一端滑动形式时，整体结构的Y向位移云图

图13 重型连廊滑动支座节点

图14 轻型连廊钢梁与混凝土梁连接节点

4 重型连廊舒适度分析

现阶段人们对于建筑的性能化要求越来越高，楼板舒适度即为其中之一.关于楼盖结构的舒适度评价指标主要有结构的最小自振频率和结构振动加速度.

4.1 钢连廊的最小自振频率

《城市人行天桥与人行地道技术规范：CJJ69—95》规定：“为避免共振，减少行人不安全感，天桥上部结构竖向自振频率不应小于3 Hz”[6].同时，《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3—2010》也规定：“楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3 Hz”[7].对本工程重型异形钢连廊进行特征值分析，得到其竖向第一自振频率为3.97 Hz>3 Hz，满足规范要求.

4.2 楼盖振动加速度

在《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3—2010》中，规定了一般民用建筑设计时采用的楼盖振动加速度限值[7]，如表3所示.

表3 楼盖竖向振动峰值加速度限值 m·s-2

人员活动范围竖向自振频率不大于2Hz竖向自振频率不小于4Hz住宅、办公0.070.05商场及室内连廊0.220.15

注：楼盖结构竖向自振频率为2 Hz～4 Hz时，峰值加速度限值可按线性插值选取.

由于没有专门针对连廊的设计规范，因此本工程设计参考《高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ3—2010》要求，对异形连廊采用Slabfit进行时程分析，将行人荷载模拟为固定的突变荷载，单人体重取75 kg，分析得到的最大加速度峰值为0.110<0.151，满足该规范要求.

5 结语

本文以泸州商贸城钢连廊为背景，主要从重型钢连廊结构选型、连廊温度作用及楼板舒适度等方面对钢连廊进行了分析和研究，主要得出以下结论：

(1)钢连廊结构的选型不但要满足建筑造型、净空、使用功能等要求，而且还要考虑连廊自身的结构布置是否合理、传力是否直接，并尽可能减小连廊对两侧主体结构的影响，同时还需满足经济性要求.

(2)由温度作用分析可知，约束越强处钢构件内力越大.当连廊数目较多时，可偏安全地按单层钢连廊进行温度作用分析.

(3)当连廊跨度较大时，竖向自振频率较难满足“不宜小于3 Hz”的要求，宜对结构进行加速度分析，以满足规范所规定的舒适度要求.