某钢桁架连接体结构设计

【摘要】长沙某工程为双塔连体结构，连体结构的连接体跨度较大、高度较高，受力复杂。根据工程特性，对结构设定了合理的性能目标，针对连接体钢桁架进行了相应计算分析;针对关键节点、温度作用、舒适度进行了专项分析。分析结果表明，结构受力和抗震性能满足相关规范要求。

【关键词】钢桁架;连体结构;结构设计

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.

18.

1、工程概况

本工程位于长沙市，是以大开间办公为主的商业商务楼，建筑面积约 13.5万平方米，采用南、北双塔连体建筑。连体位于 4-7 层，与南、北塔楼相连。 南塔高88.9 米，北塔高 99.8 米。两塔平面布置基本相同，均采用框架-核心筒结构。 地下室四层，高度19.9 米。

本工程设计基准期为50年，结构安全等级二级，抗震设防烈度6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别Ⅱ类，场地特征周期为0.35s，抗震设防类别乙类[1]。基本雪压0.45kN/m2，基本风压0.35kN/m2，地面粗糙度为C类[2]。本工程进行了风洞试验。按规范导算风荷载值与风洞试验风荷载值包络设计。

2、连接体结构布置

连接体采用钢桁架结构体系，位于4～7层，标高为14.4～32.4，总高度18m，跨度40.4m，宽度38.2m。由五榀主桁架组成，桁架弦杆采用焊接H900x500x20x40，腹杆采用焊接箱型500x30，材质均为Q345GJB[3]。在4F，6F，8F平面内设置水平支撑，使连接体楼面内的水平剪力由楼板和面内支撑体系共同承担。连接体的底层（4F）、顶层（8F）楼板厚度180mm，中间层楼板厚度150mm。连接体的平、立面示意见图1～2。

连接体与塔楼的连接方式可分为弱连接与强连接[4]。本工程考虑到南北两塔平面布置基本对称，两塔高度相差不大，当低位连接体采用刚性连接时，连接体能协调两塔楼变形，一定程度改善塔楼抗震性能，故连接方式采用强连接方式。

3、结构整体计算分析

根据规范 [5]相关规定将连接体抗震性能定为C级。按小震弹性、中震弹性、大震不屈服进行设计。本工程考虑连接体跨度较大，计算时，偏安全地考虑了竖向地震作用。

本工程采用YJK、STRAT软件进行整体计算分析;采用midas Gen、ABAQUS等软件进行补充分析和复核。对比不同力学模型的分析结果表明两者吻合较好。小震、中震、大震作用下，整体计算结果中的塔楼和连接体部分均满足相应规范要求。连接体钢桁架杆件最大应力比：小震弹性计算时，最大应力比为0.80;中震弹性计算时，最大应力比为0.85;大震不屈服计算时，最大应力比均不超过1。桁架各构件满足性能设计要求。

连接体挠度最大值为27.2mm，约为L/1485，满足相应规范的要求。

4、结构构件设计

连接体钢桁架抗震等级为一级，经计算复核，所有杆件稳定承载力满足规范要求。

连体桁架节点处杆件截面类型较多，不同杆件成多角度交汇，受力复杂。节点设计时，取YJK模型计算得到的大震作用下节点最不利内力，荷载组合采用1.0恒载+0.5活载+1.0地震作用（大震），采用ABAQUS进行计算分析。分析模型不考虑混凝土的作用，所有的内力均由型钢承担。选取具有代表性的五个节点进行了分析。分析结果显示，除个别板件连接的角点出现应力集中外，节点区应力在258MPa以下，应力小于材料屈服强度。节点区无塑性应变，节点整体处于弹性状态，满足大震不屈的性能目标。

连接体跨度大，楼板受力较为复杂，温度作用不可忽略，故对连接体层进行了温度应力分析。经计算分析，在温度作用下，因连接体楼板离塔楼嵌固支座较近，受约束较大，正应力较大，但绝大部分楼板应力均小于楼板混凝土抗拉强度设计值，仅局部洞口边、柱头处应力集中，正应力略大于楼板混凝土的抗拉强度，故对楼板洞口及边角部位进行适当加强。

同时对连接体楼板舒适度做了补充分析。截取模型中连体所在楼层及其下一层作为楼板竖向振动舒适度分析模型。经计算分析，竖向振动频率为4.45Hz，最大竖向振动加速度峰值为20.78mm/s2，满足规范[5]要求。

连接体与塔楼连接处还采取其它抗震加强措施如下：

（1）连接体结构的主要结构构件伸入塔楼内2跨（伸至塔楼内的筒体）并与筒体可靠连接。塔楼内2跨同样采用钢结构。

（2）塔楼内与连接体相连的框架柱配置型钢，确保连接节点安全可靠，箍筋全柱段加密配置，抗震等級由二级提高至一级，保证框架柱具有足够的延性。桁架弦杆与柱内钢骨在工厂采用等强全熔透焊，焊缝等级为一级。

（3）连接体与塔楼的连接节点区内柱钢骨板厚局部加厚，由30mm加厚至35mm，进一步确保节点整体处于弹性状态。

结语：

本工程连接体跨度较大、高度较高，受力复杂。设计中通过合理的构造布置，采用结构性能化设计分析方法，并对关键部位做了细部分析，使连体结构能实现整体抗震性能目标预期并安全可靠，使用舒适。

参考文献：

[1]建筑抗震设计规范：GB50017-2010[S].北京：中国建筑工业出版社

[2]建筑结构荷载规范：GB50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社.

[3]钢结构设计规范：GB50017-2003[S].北京：中国计划出版社.

[4]徐培福.复杂高层建筑结构设计[M].北京：中国建筑工业出版社.

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

作者简介：

欧定海（1983-），男，汉族，湖南长沙人，本科，工程师，研究方向：结构设计工作。