某连体高层结构中的钢桁架设计

张志新

(山西五建集团有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概况

本工程位于晋城市泽州县金村镇枣园村,项目建筑用地南靠规划太岳路西临,西侧为规划中的0.05 km2的大片城市绿地,南侧面向花园头水系公园。本工程为一栋商业办公楼，由2层地下室，21层地上组成。地下2层地下室，地上部分1层、2层为商业，层高4.2 m，以上为办公楼，层高均为4.8 m，主楼总高度99.75 m，结构体系为剪力墙结构，屋顶设钢结构连廊,基础形式为桩筏基础。该工程的抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度0.05g，设计地震分组第三组，场地类别Ⅱ类，特征周期0.45 s，抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级二级(结构重要性系数为1.0),三维模型见图1。

2 主体结构体系及简要介绍

结构双塔均为剪力墙结构，在屋面21层设钢桁架双连廊，作为两单体的屋面水平交通枢纽，该桁架需要传递两塔楼之间的水平剪力，协调两塔楼的变形，因此为关键构件，需要进行详细的分析，并采取加强措施，确保安全。桁架跨度为20.4 m，宽度为5.25 m，高度同21层结构层高度4.8 m，两侧塔体剪力墙结构抗震等级为三级，但考虑连廊层为加强层，因此连廊层及相邻楼层竖向构件和连廊抗震等级在构造上相应提高为二级[1-2]。

本工程存在三个超限内容：1)偶然偏心规定水平力作用下位移比最大1.26，大于1.2，属于扭转不规则；2)建筑顶层 设钢结构桁架连廊属于高位连体结构;3)20层与21层的承载力之比为0.7(Y向)，受剪承载力变化大于80%，因此综合判定本工程为超限高层建筑。

主体结构的整体计算分别采用YJK，Midas/Building 两个不同力学模型的结构分析软件，对整体计算结果中的振动模态、周期、构件内力等参数做了细致的对比分析，衡量结构整体计算的合理性及关键构件计算的准确性。

针对超限情况，将底部加强区的1层～3层的竖向构件、21层连廊层及相邻楼层的竖向构件、整体钢桁架连廊定义为抗震的关键构件。采用盈建科进行了中震、大震下等效弹性分析、罕遇地震下的弹塑性时程分析，保证关键构件及耗能构件满足中震及大震下的性能目标，并且针对桁架连廊，进行了大震下动力弹塑性竖向时程分析，确保竖向振动幅值满足要求。

3 钢桁架的设计目标及分析

根据建筑功能及平面造型要求，钢结构连廊设计如下：中庭部分跨度20 m，采用钢桁架结构[3]，与两侧塔采用强连接(两端刚接)，自重轻，连接可靠。为了保证连接的可靠性，两侧支框架柱设置为型钢混凝土框架柱，钢桁架上下弦与型钢混凝土框架柱内预留型钢直接连接，钢梁延伸进主楼一跨，并采用型钢混凝土梁。

钢结构桁架在设计之初考虑一端铰接，一端滑动的柔性连接，该种连接体一般可以减少结构的扭转，并避免2个塔楼偶联作用给结构整体带来的不利影响，此种连接的滑动支座是设计重点，需要满足罕遇地震作用下结构变形，因此要在塔楼与支座间留出一条防震缝，经过计算此时需要留出300 mm的防震缝。但经过对两个塔楼的分别计算，两侧主塔体结构刚度相近，动力特性基本相似，此时采用强连接形式更加能保证高空桁架的可靠性，及两侧双塔的协调性和安全性，此时设计的工作重点就变为如何保证钢结构与两侧塔楼共同工作及该大跨度钢结构桁架计算分析，因此针对上述重点，桁架采取相应的措施并考虑了如下计算内容：

1)钢桁架作为结构的关键部位，钢结构连廊部分抗震设防性能目标为C级。

2)采用YJK及Midas软件进行小震下水平地震作用整体内力和位移分析，并对比，保持小震弹性。

3)进行中震下水平地震作用整体内力和位移分析，确保中震弹性。

4)进行罕遇地震作用钢桁架及两侧连接的型钢混凝土框架柱整体内力计算，确保满足大震不屈服；并考虑桁架在竖向地震的影响，确保大震最大竖向位移不会过大。

5)钢桁架与主体结构连接计算分析及构造。

6)钢桁架舒适度验算。

3.1 钢结构桁架布置方案及参数

钢桁架采用焊接工字钢组成的普通桁架，竖向水平均设有直腹杆及斜腹杆，同时在桁架中心设斜腹杆增加整体刚度，桁架杆件与主体的型钢混凝土柱铰接，桁架整体与两侧形成刚接体系。布置示意图见图2，杆件截面见表1。

表1 钢结构桁架杆件截面表

3.2 钢结构连廊小震下水平地震作用分析

钢结构连廊小震下设计取抗震等级为二级,阻尼比取0.05，应力比计算只考虑水平地震作用参与内力组合。小震下应力未超设计允许值，可满足使用要求。

3.3 钢结构连廊中震下地震作用分析

为保证连廊及两侧与其连接的框架柱在中震下正常使用，连廊性能化设计时取中震弹性计算，阻尼比取0.05，不考虑与抗震时内力调整系数，材料强度取设计值，采用YJK计算，中震地震内力约是小震时的2.2倍，此时经过计算支撑桁架上弦杆最大应力比0.47，下弦杆最大应力比0.52，均出现在支座位置，其他部分应力均较小，满足中震弹性性能要求。 由此看出完全能满足中震弹性的要求[4]。

3.4 钢结构连廊大震下地震作用分析

为保证连廊及两侧与其连接的框架柱在大震下不屈服，此时计算参数结构阻尼比为0.06，采用弹塑性时程分析，选用三组地震波计算(两组天然，一组人工)，此时桁架杆件最大应力比1.0，同时从损伤图(如图3所示)中可看出，大震时桁架基本保持完好，无中度以上的损坏，能满足大震不屈服的性能要求[5-6]。

3.5 钢结构连廊大震下竖向地震作用分析

为保证连廊在大震下有足够的竖向刚度，补充计算了对桁架及连接桁架的型钢混凝土框架柱进行的竖向地震的计算[7]。分析时结构竖向地震影响系数最大值可按水平地震影响系数最大值的65%采用，地震分组按第一组。图4为选用地震波1055地震作用下桁架典型节点竖向地震下节点相对位移时程响应，其中最大位移18.92 mm。

3.6 关键节点应力分析

选3个典型钢节点进行有限元分析。钢材均采用 Q345B。ND1位于桁架与双塔连接处，ND2，ND3位于中跨桁架上。

3.6.1 ND1节点分析

ND1节点有限元模型见图5。

1)中震弹性工况组合。

节点应力分布图如图6所示。钢桁架桁架下腹杆下翼缘最大应力为65 MPa，均未超过限值要求；混凝土节点应力大部分不超屈服限值(20.1 MPa)，仅在桁架下斜腹杆下翼缘与混凝土连接处角出现局部压应力超限，但整体保持完好。

2)大震不屈服工况组合。

节点应力分布图如图7所示。钢桁架上弦杆上翼缘最大应力为127 MPa，均未超过限值要求；混凝土节点应力大部分不超屈服限值，仅在桁架下腹杆下翼缘与混凝土连接处出现局部压应力超限，但整体保持完好。

3.6.2 ND2节点分析

1)中震弹性工况组合。节点应力分布图如图8所示。钢桁架桁架下腹杆下翼缘最大应力为266 MPa，均未超过限值。ND1中震最大应力位置见图9。

2)大震不屈服工况组合。节点应力分布图如图10所示。钢桁架桁架下腹杆下翼缘最大应力为273 MPa，均未超过限值。ND2中震最大应力位置见图11。

3.6.3 ND3节点分析

1)中震弹性工况组合。节点应力分布图如图12所示。钢桁架桁架下腹杆下翼缘最大应力为153 MPa，均未超过限值。ND3中震最大应力位置见图13。

2)大震不屈服工况组合。节点应力分布图如图14所示。钢桁架桁架下腹杆下翼缘最大应力为180 MPa，均未超过限值。ND2大震最大应力位置见图15。

取三个典型节点进行有限元建模分析，考虑了中、大震后计算结果表明：1)中震弹性组合作用下，钢桁架节点应力都小于屈服应力，仅桁架与混凝土连接处的混凝土个别单元出现压应力超限，该比例不少于网格单元的5%，整体均满足限值。2)大震组合对节点应力起控制作用。结果显示钢桁架节点应力都小于屈服应力，仅桁架与混凝土连接处的混凝土个别单元出现压应力超限，该比例不少于网格单元的10%,整体均满足限值。3)计算分析表明支撑桁架节点满足预设大震下不屈服的性能目标要求。

3.7 舒适度验算

选取典型的钢桁架进行舒适度分析。通过模态分析显示，最不利位置处考虑6个人在楼盖上步行，频率为2.4 Hz,时程函数曲线为连续步行曲线，桁架自振频率为5.3 Hz,满足竖向振动加速度峰值限值为0.15 m/s2，由软件计算得到该结构加速度最大值为0.10 m/s2<0.15 m/s2，满足要求。

4 结语

1)本工程为高位连体结构，属于超限高层建筑，针对超限内容，对关键构件及连接体、两侧楼板等采取加强措施。

2)通过对大跨度连体结构的钢结构连接体的小震、中震、大震的应力分析、大震弹塑性分析、桁架舒适度分析的全面分析，结果表明，各项指标均能满足规范及实际正常使用要求，小震及中震保证了所有构件均在弹性阶段，正常使用时舒适度满足要求；大震时保证桁架不屈服、桁架水平及竖向有足够的刚度，钢结构桁架完全能达到设定的性能目标。