某办公楼连体结构设计与分析

张 晨，郑世钧，王丽梅

（甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州）

1 工程概况

某健康管理中心位于甘肃省兰州新区，由南、北办公楼和报告厅三个子项组成。其中，南、北办公楼平面呈L 形，为对称建筑，房屋高度23.45 m。报告厅平面呈矩形，屋面由三角形折面呈起伏状构成，房屋高度18.45 m。三个子项通过连廊相互连接，南、北办公楼与报告厅分别在二层（标高5.100）通过连廊连接，两个办公楼在大屋面（标高23.000）通过连廊连接，见图1。

图1 整体建筑立面

2 连体结构设计

2.1 连体连接方式确定

按连接体与塔楼的相对刚度分类，连体结构连接方式可分为强连接和弱连接。连接体与塔楼两端刚接、两端铰接均属于强连接。连接体一端铰接另一端为滑动支座，或者连接体两端均为滑动支座属于弱连接[1]。

根据规范中对连体结构的相关规定，连接体结构与主体结构刚性连接时，连接体结构的主要结构构件应至少伸入主体结构一跨并可靠连接[2]。由于本项目建筑造型和房屋高度的限制，南北楼的连廊和南北楼与报告厅的连廊均不能伸入主体结构，因此，本项目的连接体与主体结构的连接方式最终选择弱连接。同时，考虑到将连接体对主体结构的影响降到最低，采用两端均为滑动支座的连接方式，连接体对主体结构仅传递支座的滑动摩擦力，连接体对主体结构的影响被很大程度减小。

2.2 连接体钢桁架结构设计

结合连接体支座位置和建筑造型，南、北楼大屋面的连廊和南、北楼与报告厅的连廊均选用钢桁架结构型式。

2.2.1 南、北办公楼钢桁架结构设计

南、北办公楼的跨度约为51.8 m，宽度约为17 m。连接体为建筑屋面造型，采用3 榀平面桁架+平面外次梁+水平支撑的型式，见图2。平面桁架高3 m，上、下弦杆选用H700×350×16×25，竖腹杆选用HW250×250×9×14，斜腹杆选用HW250×250×9×14。平面外次梁采用与主桁架同高的平面桁架型式，上、下弦杆选用H400×300×10×16，斜腹杆选用HW150×150×7×10。水平支撑选用L160×10。在3 榀平面桁架下弦的两个端头设置滑动支座。

图2 南、北办公楼桁架布置

钢桁架连廊采用3D3S 软件建立空间分析模型。分析时主要考虑恒、活、风、温度作用（±30 ℃）以及地震作用（水平和竖向）。考虑到连接体的功能和经济性等因素，经计算，构件最大应力比为0.86。在恒载下，钢桁架最大竖向变形为92 mm，在恒+活标准组合的作用下最大竖向变形为103 mm。在恒+活标准组合、单工况风荷载作用下，单个支座最大竖向力分别为压力549 kN、拉力为134 kN。在单工况风荷载、单工况小震作用下，最大水平力分别为4.5 kN、17.3 kN。由于钢桁架采用滑动支座，故主体结构可不考虑钢桁架支座水平力对主体结构的影响。

2.2.2 南、北办公楼与报告厅钢桁架结构设计

南、北两个连廊相似，本文以南侧连廊为例。南办公楼与报告厅之间的跨度约为12.6 m，宽度约为2.8 m。在二层（标高5.100）通过可通行的连廊相连。此处连廊采用钢桁架型式，钢桁架呈不规则形态，最高处3.8 m，最矮处2.65 m。上、下弦杆选用HW200×200×8×12，连廊两侧竖腹杆选用HW150×150×7×10，连廊两侧斜腹杆选用HW150×150×7×10。连廊底面楼板厚度130 mm，顶面和底面通过次梁和水平支撑撑构成平面内的水平桁架体系，保证连廊平面内的稳定性[3]。顶面、底面的次梁选用HW150×150×7×10，水平支撑选用L125×8。在桁架下弦的两个端头设置滑动支座。

钢桁架连廊采用3D3S 软件建立空间分析模型。分析时主要考虑恒、活、风、温度作用（±30 ℃）以及地震作用（水平和竖向）。经计算，构件最大应力比为0.61。钢桁架在恒+活标准组合的作用下最大竖向变形为3 mm。在恒+活标准组合、单工况风荷载作用下，单个支座最大竖向力分别为压力126 kN、拉力为5.9 kN。在单工况风荷载、单工况小震作用下，最大水平力分别为2.3 kN、4.8 kN。

3 支座设计

3.1 主体结构在罕遇地震下的位移计算

根据规范要求，当连体结构与主体结构采用滑动连接时，支座滑移量应能满足两个方向在罕遇地震作用下的位移要求。采用结构设计软件YJK 对两侧主体结构进行了罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析。时程波采用Big Bear-02_NO_1905，Tg(0.50)波、Irpinia, Italy-02_NO_303，Tg (0.50) 波及人工波ArtWave-RH1TG045，Tg(0.45)。计算结果显示，南、北办公楼的最大顶点位移164 mm，故滑动支座位移限值采用±170 mm 能满足规范要求。

3.2 支座选择

连接体与主体结构之间采用滑动支座相连，支座的水平刚度非常小。通常滑动支座的静摩擦系数不大于0.03，为了保证连接体的正常使用，其在风荷载作用下，不应有过大变形，所以支座应当具有一定的初始刚度，故设计时要求滑动支座的静摩擦系数不大于0.1。计算时，连接体的滑动支座刚度用弹性连接来模拟，考虑支座刚度从100 KN/m～10 000 KN/m 包络设计，以保证连接体的可靠性。

考虑到滑动支座的承载力要求，位移变形能力和耐久性等因素，综合对比下，本工程最终采用了具有一定初始刚度的摩擦摆支座，支座示意如图3 所示。根据计算结果，支座的设计参数如表1 所示。

图3 支座示意

4 屈曲分析

南、北办公楼与报告厅二层间连接的钢桁架，其未设置垂直支撑，为了研究桁架的平面外稳定问题，做屈曲分析。屈曲分析是通过求解杆件的稳定性方程，确定在不同的荷载作用下，杆件的稳定极限。杆件的稳定性方程通常采用欧拉方程或者能量法等数学模型进行建立。在求解稳定性方程时，需要考虑杆件的几何形状、材料特性以及外部载荷等因素的影响。通过分析稳定性方程的解，可以确定杆件的临界载荷和截面的临界应力，从而保证杆件在使用过程中的安全性。本工程采用3D3S 计算软件，对桁架施加竖向荷载，采用1.0 恒+1.0 活组合进行分析。根据规范要求，取钢桁架跨度的1/300 即43 mm 作为初始缺陷，并且根据一致模态对桁架施加初始缺陷，然后进行大位移的几何非线性稳定分析[4]。

桁架间的横杆和纵向弦杆间按刚接模拟，其余直径较小的斜腹杆均按铰接考虑。本工程通过分析可以得到桁架结构的线性整体稳定因子，表2 给出了桁架结构的前10 个稳定因子。且由图4 可知，带缺陷的桁架考虑结构几何非线性的整体稳定系数为16.5。对于该桁架结构，不加缺陷的极限承载力系数为38.4，按规范加上初始缺陷后降为16.5。因此，该结构是缺陷不敏感型的。该结构的极限承载力系数为16.5 大于规范规定的4.2[5]。由此可知该桁架结构受力比较合理，承载力较高。

表2 桁架结构的前10 个稳定因子

图4 带缺陷结构几何非线性分析的位移

5 连廊楼板的竖向振动舒适度分析

本工程利用MIDAS GEN 结构计算软件对于报告厅相连接的两个连廊做其楼板的竖向振动舒适度分析。首先对桁架结构做特征值分析，计算结果表明，该结构的第一阶频率为3.69 Hz，大于规范规定的3 Hz 的要求。然后采用MIDAS 软件中的行走一步的时程荷载函数，如图5 所示，定义行走路径，将荷载施加于该路径上的相应节点，如图6 所示。计算结果显示，如图7 所示，最大竖向振动加速度为0.032 m/s2，满足规范规定的应小于0.15 m/s2的限值要求。

图5 时程荷载函数

图6 时程荷载施加路径

图7 时程图形

6 结论

本工程三个子项间通过连接体两两相连，考虑到连接体支座位置，建筑造型，且避免连体结构的复杂传力等因素，采用柔性连接将连接体与主体结构相连接。连接体采用钢桁架型式，桁架和主体结构可以独立设计分析。本文通过介绍三个钢桁架与主体结构的柔性连接，得出以下结论：

（1）连廊的自重大于风吸力，支座设计时可以不用考虑拉力的影响。

（2）为保证连廊的正常使用，连廊的滑动支座应具有一定的初始刚度。

（3）对主体结构做罕遇地震下的位移计算，得出滑移量为±170 mm，支座选用能承受较大竖向力和较大水平滑动位移的摩擦摆支座。

（4）报告厅两侧的可通行连廊通过屈曲分析表明，带缺陷的连廊考虑结构几何非线性的整体稳定系数为16.5，大于规范规定的4.2。该桁架结构受力比较合理，承载力较高。

（5）报告厅两侧的可通行连廊楼板厚度130 mm，满足规范规定的楼盖竖向振动舒适度的要求。