易凌，郭衛(wèi)青

（江西理工大學應用科學學院,江西贛州341000）

某鋼結構連廊的結構分析與設計

易凌，郭衛(wèi)青

（江西理工大學應用科學學院,江西贛州341000）

針對一個工程實例，給出了設計思路、分析要點及連接節(jié)點，并通過SAP2000與3D3S軟件對結構分析對比，指出了設計的要點及需要注意的問題，為類似工程結構設計提供參考.

連廊；空間計算；結構分析；變形；支座

0 引言

隨著國家經(jīng)濟的快速發(fā)展、建筑造型的日新月異，建筑師們用自己獨特眼光把美好的景色融入建筑物.空中連廊是近十幾年發(fā)展起來的新型建筑形式，尤其是在大型商場、學校、醫(yī)院等人流密集的建筑群中，連廊既起到疏導交通的作用，也可作為觀光臺.另外，它使建筑具有獨特的外形，帶來強烈的視覺效果[1-3].文中應用3D3S與SAP2000對鋼桁架連廊進行了比較分析，為以后的結構設計提供參考.

1 工程實例

1.1 工程概況

江西理工大學逸夫實驗樓位于贛州市客家大道156號，是一座地下1層地上6層連接結構，建筑總高度21.5 m,東西方向長76 m，南北方向寬63.9 m，分為南北兩主樓，兩主樓在第5層通過鋼結構連廊相連.圖1和圖2分別為建筑效果圖和主體結構平面布置圖.連廊高3.6 m，跨度20 m.連廊主體采用鋼桁架結構，外包鋁塑板，側墻及屋面均采用中空鋼化玻璃.工程地震設防烈度為6度，恒載標準值為2 kN/m2，活荷載標準值為3.5 kN/m2，基本風壓為0.3 kN/m2，基本雪壓0.35 kN/m2.

圖1 建筑效果圖

圖2 主體結構平面布置圖

1.2 鋼桁架連廊支座及結構設計

連廊作為兩主樓之間的聯(lián)系構件，其自身剛度相對于主樓較小，在遇到水平地震作用時會產生較大的地震反應.如果鋼桁架連廊與混凝土框架結構采用剛性連接支座，在遇到水平地震作用時，只能依靠其自身剛度協(xié)調兩主樓之間的變形，通過計算分析發(fā)現(xiàn)靠近支座的桿件受力較大，桿件應力比大于1.為了協(xié)調地震作用下連廊的位移與主樓的位移，連廊與主樓的連接只能采用柔性連接方式[4-12].柔性連接方式通常有兩種，一種是橡膠支座，另一種是鋼板開長圓孔的普通滑動支座.通過設計過程中不斷的試算和總結，以及施工單位和使用單位的信息反饋，認為采用一端鉸接（圖3）、一端滑動的支座較好（圖4）.這種支座的主要優(yōu)點為：①構造簡單，制作容易，施工簡單方便，安裝快捷；②節(jié)約鋼材，造價經(jīng)濟，不需要特別維護，后期維護費用極低.鉸接支座做法為上弦桁架直接擱置在框架柱的外伸牛腿上，底部鋼板只開圓孔.滑動支座也擱置在框架柱的外伸牛腿上，但桁架底部鋼板上開有長圓孔，能產生單向滑動.

圖3 鉸接支座剖、立面圖

圖4 滑動支座剖、立面圖

連廊的結構形式為兩榀矩形桁架，桁架所有桿件均采用H型鋼，為了提高大跨度桁架的側向穩(wěn)定和抗扭轉效應.在連廊上弦平面布置部分交叉斜撐，形成水平桁架，由此構成水平幾何不變體系.同時在上弦與下弦之間每隔4 m，采用8號槽鋼設置剪刀撐一道，形成豎向支撐結構，使得整個連廊形成一個空間幾何不變體系，有利于抗扭.鋼桁架連廊三維空間結構計算模型見圖5.連廊結構計算分析荷載分別為：①恒荷載;②活荷載;③風荷載；④地震作用.荷載組合時，分別考慮了水平和豎向地震作用組合工況，其他荷載組合按照GB50009-2001(2006年版)《建筑結構荷載規(guī)范》[13]的要求進行組合.各桿件的截面尺寸如表1.

圖5 鋼桁架連廊結構計算模型

表1 鋼桁架尺寸

1.3 連廊的結構分析

主體和連廊之間采用了一端鉸支座和一端滑動支座的柔性連接方式，減小了主體和連廊間的相互影響，由此可將連廊部分單獨建模計算.根據(jù)計算模型，采用了基于有限元的大型結構計算軟件SAP2000對結構進行了空間整體分析，同時采用同濟大學的鋼結構設計軟件3D3S進行校核.鋼桁架各根桿件均選用空間梁單元模擬.

1.3.1 結構動力特性分析

結構在強迫振動時各截面的最大內力和位移都與結構的自由振動時的頻率和振動形式密切相關，因而研究自振周期和振型是研究強迫振動的關鍵步驟.動力計算分為兩大步驟：其一是結構自由振動分析，即計算自振周期和振型；其二是強迫振動分析，即計算地震作用下結構內力、位移及應力比等相關物理量.

SAP2000程序提供了特征向量和Ritz向量方法進行振動求解.研究表明：基于一個特定荷載相關的Ritz向量組的動力分析比基于同樣數(shù)量的自由振動振型能得到更精確的結果.所以文中將采用Ritz向量方法對空間桁架計算模型進行模態(tài)分析.

由振型疊加可知，結構在任一時刻所受的地震作用等于該時刻各振型地震作用之和.由于每一振型地震作用達到最大值的時刻并不相同，所以采用振型疊加法求結構的最大地震作用也不同.按照抗震規(guī)范，采用SRSS方法（中國）進行振型組合來求地震作用.

采用SAP2000程序對連廊結構的動力特征進行計算，得到前9個周期，前4個模態(tài)對應振型見圖6～圖9.現(xiàn)取前5個周期進行比較，如表2所示.結構最大自振周期為0.349 s，振動方向為橫向（一階Y向）平動，說明結構橫向剛度較弱，豎向剛度較好.第二、三振動形式分別為扭轉和豎向平動.采用3D3S軟件進行的計算結果是，結構最大自振周期為0.3656 s，振動方向也為橫向（一階Y向）平動，第二、三振動形式分別為豎向平動和扭轉.從最大自振周期上看兩者誤差在5%之內，第二、第三周期誤差較大，而且振動方向有區(qū)別.從表2中可以看出，兩種軟件得出的周期和振型基本相同，誤差在較小范圍內，這些誤差的存在可能是模型的誤差和參數(shù)誤差所導致的，但總體分析結果是一致的.

圖6 橫向振型

圖7 扭轉振型

圖8 豎向振型

表2 結構自振周期比較

1.3.2 支座反力和位移分析

為了驗證剛性連接支座和柔性連接支座對結構的影響，分別對兩種方案進行了比較，比較了地震作用組合下支座反力和位移，具體數(shù)據(jù)見表3和表4（表中“/”是分隔符，表示兩種軟件計算的不同結果）.

表3 剛接時支座反力/kN（SAP2000/3D3S）

表4 柔性連接時支座反力/kN與位移/mm（SAP2000/3D3S）

由上表可以看出，與剛性連接方案相比，沿跨度方向的水平支座反力有明顯降低.2和4號支座由鉸支座改為柔性滑動支座后，釋放了300 kN的力，然而水平位移只有3.4 mm左右.因此可以認為滑動支座可以顯著降低水平反力，減小結構內力的作用.

1.3.3 應力比和變形分析

在進行結構計算時，考慮到結構跨度較大，活荷載較大，所以將應力比最大值限制在0.75.結構在進行正常使用極限狀態(tài)下計算后的撓度值也應該在規(guī)范的允許范圍內，同時還考慮到窗和走廊頂部都是鋼化玻璃，對結構的變形要求較高.根據(jù)玻璃幕墻工程技術規(guī)范（JGJ 102-2003）[14]規(guī)定，吊掛全玻幕墻的主體結構或結構構件應有足夠的剛度，采用鋼桁架或鋼梁作為受力構件時，其撓度限值df，宜取其跨度的1／250.通過兩種軟件的計算得出撓跨比均滿足規(guī)范要求，計算結果見表5和表6（表中“/”是分隔符，表示兩種軟件計算的不同結果）.

表5 各桿件應力比

表6 各工況下?lián)隙群臀灰疲⊿AP2000/3D3S）

2 結論

對空間連廊桁架結構用SAP2000與3D3S進行了分析研究，得出以下結論：

（1）連接方式.連廊與主體結構的連接方式有很多種，具體采用何種方式連接應取決于連廊的的跨度、剛度和連廊所處的位置等因素.對于跨度較小，位置不高的連廊結構可以采用一端鉸接、一端滑動的連接方式.這種節(jié)點方式不僅施工方便，而且設計的節(jié)點也與計算模型吻合，同時滑動支座水平位移也不大，對結構也有利.

（2）結構分析方式.對采用剛性連接方式的連廊結構，需要對連廊與主體結構進行整體建模分析.對采用柔性連接方式的連廊結構，則可以采用對連廊單獨建模，得到支座反力后，再作為荷載對主體結構進行計算.

（3）結構軟件.大跨度空間桁架結構需采用三維空間計算軟件對工程結構進行整體分析，從而確保桁架結構設計的安全性、適用性、經(jīng)濟性和合理性.大跨度空間結構還需要采用兩種以上三維空間計算軟件進行對比和校核.采用這種方式能使設計者對結構的性能更加了解，同時對結構的薄弱部位做出精準的判斷.

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[14]JGJ 102-2003.玻璃幕墻工程技術規(guī)范[S].

Structural analysis and design of a steel linked structure

YI Ling,GUO Wei-qing

(Faculty of Applied science,Jiangxi University of Science and Technology,Gangzhou 341000,China)

Thedesignthought,pointsofanalysisandconnectednodesaregivenonacertainproject.Theperformance of structure is analyzed and contrasted by two software named SAP2000 and 3D3S separately.The keypoints in design and what should be emphasized during designing as reference for designing such project are stated.

linked structure；three-dimensional calculation；structural analysis；deformation；support abutment

TU318

A

2011-10-09

江西理工大學校級科研資助項目（JXXJ11151）

易凌（1976-），男，講師，主要從事鋼結構、高層建筑結構抗震等方面的研究，E-mail：ying76326@163.com.

2095-3046（2012）03-0043-04