连体结构的设计分析

金晶

（广州市设计院集团有限公司，广东 广州 510620）

1 工程概况

建筑工程中，建筑之间作连接的结构形式通常会选择连廊结构，以实现功能和建筑外观上的统一。现代建筑经常出现两个或多个建筑由设置在一定高度处的大跨度连廊相连，而组成一个建筑群体的情况。

对于具有连廊的建筑结构来讲，连廊是极为关键的构成部分。针对连廊非分析研究主要如下。

（1）连廊支座效应及相连主体结构刚度及动力响应等影响，主要有：胡振青等[1]通过徐州中央国际广场项目中一种刚性连接连廊进行设计分析，王宗维[2]讨论了钢连廊不同柔性连接形式的受力机制，并提出一种新型的柔性连接方式。针对柔性连接，部分学者采用了数值分析和试验研究的方式，实现了不同连接方案的对比研究[3]。

（2）针对连廊结构自身计算和分析研究，主要有：张琼等[4]基于人群荷载的计算模型，研究不同行人密度下的连廊结构的动力响应，并做出了相关结构振动舒适度进行评价。王震等[5]通过最实际工程建立有限元模型，分析其结构体系的特点及性能目标、桁架结构的节点分析、整体性的指标把控以及弹性时程分析之后的抗震构造措施等。

国内外工程师对大跨度连廊结构的研究，主要集中为针对单个项目连廊进行的设计分析，暂未有人对此类连廊结构的设计进行统计对比。

本文提出一种连廊结构设计基本流程以及研究方法，基于本项目南、北塔间连廊来进行计算分析与研究。

连廊为连接南塔三、四层与北塔四、五层的室外连廊，离地面约14.4m，跨度为40m，宽度为5.6m，高度为4.6m。连廊采用钢桁架的结构体系，上、下层与南、北塔楼连接位置，在塔楼的框架梁上采用限位可滑动支座以实现弱连接，然后在设置变形缝，使得两个塔楼相互独立，从而达到减小连廊、主体结构之间的相互影响的目的。

2 设计基本条件

2.1 荷载条件

附加恒载：1.5kN/m2（连廊首层），3.5kN/m2（连廊二层）；人群荷载：4.0kN/m2（按《城市人行天桥与人行地道技术规范》计算）。幕墙荷载：1.5kN/m2。

2.2 材料

结构材料如表1 所示。

表1 结构材料

2.3 结构布置

楼板厚120mm；桁架弦杆截面：方钢管口600mm×350mm×25mm×25mm，腹杆截面：方钢管口200mm×350mm×25mm×25mm，次梁截面H300mm×200mm×5mm×15mm。连廊结构布置如图1 所示。

图1 连廊结构布置（单位：mm）

2.4 支座设计条件

经过对大震计算的结构分析，连廊与塔楼支座的滑移量及变形缝宽度须满足罕遇地震作用下结构的最不利相对位移，才可避免碰撞破坏。按弹性计算，两个塔楼在大震等效弹性位移值分别为150mm、55mm；对南塔楼进行弹塑性分析后，连廊标高处的大震下弹塑性位移值为138.55mm，结合两塔楼的相对运动，支座滑移量定义为250mm，变形缝宽度取为250mm，保证大震下连廊不坠落。限位可滑动支座布置及连接如图2 所示。

图2 支座布置（单位：mm）

3 连廊的计算分析

采用SAP2000 有限元软件进行计算分析，阻尼比取值为0.01。

3.1 构件应力比与长细比

连廊构件按中震弹性设计，经计算恒载+活载的组合为最不利荷载组，非地震控制。在各荷载组合下，构件的应力比中弦杆最大应力比为0.562，腹杆最大应力比为0.783，次梁最大应力比为0.242，均可满足规范要求。

各构件长细比验算结果如下所示：弦杆最大长细比λmax=44，腹杆最大长细比λmax=84.4，均小于《钢结构设计标准》要求的限值λlim=120。

3.2 整体稳定分析

对连廊进行恒载+活载下的屈曲分析，第一屈曲模态如图3 所示，表现为受压弦杆及腹杆的屈曲失稳，屈曲因子=24.98，可知结构整体稳定远可满足要求。

图3 第一屈曲模态

3.3 挠度

根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》2.5.2条，由人群荷载计算的桁架式天桥跨中挠度不应超过L/800。本连桥在人群荷载下，桁架跨中最大挠度为32.5mm，梁跨度为40m，挠度为跨度的1/1230，满足规范要求。

3.4 舒适度分析

对于人行天桥的舒适度要求，国内目前采用的是避开敏感频率法，即通过避开敏感范围内的频率以达到建筑的使用要求，有效避开人的活动能力较高频谱范围内激发出结构的整体振动。《城市人行天桥与人行地道技术规范》第2.5.4 条规定，天桥上部结构的竖向振动频率不应小于3Hz。

国际上则大多采用限值动力响应值法，目前最常用的舒适度评价标准为加速度峰值。其研究方法是将人行走产生的激振力采用时程分析方法作用在结构上，得到建筑在行人激励作用下，从静止发展到振动直到振动终止整个过程的结构响应。

本连廊采用避开敏感频率和限值峰值加速度的双控标准来进行舒适度分析。

3.4.1 振型分析

连廊前五阶振型的周期与频率如表2 所示。

表2 周期与频率

其中第二振型为竖向振动第一模态，f1=3.5Hz，大于《城市人行天桥与人行地道技术规范》要求的限值3Hz。第四振型为横向振动第一模态，f1=4.61Hz（大于1.5Hz），可不考虑计入横向同步激励诱发的横向动力失稳。

3.4.2 人致激励下连廊时程分析

（1）人行荷载模型及时程分析工况。连廊的人行荷载模型采用国际桥梁与结构工程协会（IABSE）建议的模型，计算公式如式（1）所示。

式中：P——人体重量；αi——第i 阶谐波分量的动力系数，α1=0.4+0.25（fs-2），α2=α3=0.1；fs——步行频率；t——时间；φi——第i 阶谐波分量的相位角，φ1=0，φ2=φ3=π/2。

分析时，参考《德国人行桥设计指南》，定义不同工况以区别不同的行人交通级别和相关的人流密度，步行工况定义如表3 所示。行人标准体重力P 取700N（重70kg），步频按相应工况的激励频率进行调整，以考虑不同频率下人群激励对天桥的激振效果。

表3 步行工况定义

（2）舒适度评价标准。国内还没有统一的室外人行天桥有关加速度峰值的舒适度评价指标，本工程参考《德国人行桥设计指南》EN（03-8—2007）的舒适度定义，具体取值如表4 所示。

表4 德国人行桥设计指南舒适度定义 单位：m/s2

（3）时程分析结果。各分析工况下连廊主结构跨中的加速度峰值如表5 所示。

表5 各分析工况下桁架跨中竖向加速度振动峰值

结构在四种不同的人群荷载激励下，主结构跨中加速度响应最大为0.202m/s2，舒适度等级为很舒适。

4 结语

对本项目南、北塔进行分析研究，得出连接塔楼的连廊支座弱连接属性可满足抗震性能要求；同时对该连廊结构的对比分析可以得出，该连廊结构满足强度及稳定性要求，舒适度亦可达到很舒适要求，连廊结构是可靠且安全的。