低位双拱架连体的设计研究

2016-01-10杨代恒林扑强龙秀海

广东土木与建筑 2016年1期

杨代恒林扑强龙秀海

（广东省建筑设计研究院广州510010）

0 前言

随着建筑业的高速发展及需求，大跨度连体结构越来越多，且效果上要求轻型通透，传统的连接方式一般采用桁架结构，但桁架存在密布的斜腹杆或竖腹杆，对建筑视野及外立面影响较大。本文借鉴在桥梁中应用成熟的拱架结构，利用其特有的结构性能、优雅的造型，将其运用到本连体结构中。

1 工程概况

某大厦设计总建筑面积16万m2，地面以上主塔楼总高度约180m，裙楼为6层，高度约24m。裙楼中部2层通高，在3～5层设置了约40m跨、14m高的钢结构连廊，其建筑功能为办公及商业，6层为屋面绿化。根据要求结构转换构件对室内空间的影响要最小，各楼层钢梁高度需控制在0.8m以内，转换构件只能在平面两侧设置。据此条件最终选用了较为新颖的立体双拱架转换方案。相比常见的桁架转换，大跨度拱架有其特性及优势，故对其受力特性、刚度特征进行了研究，其计算的局部模型如图1所示。

图1 计算模型

本工程结构设计使用年限50年，安全等级二级，建筑抗震设防分类为乙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.1g，场地类别为Ⅱ类。

2 结构布置

连体平面采用单向次梁布置，次梁将荷载传递于两榀拱架上，拱架之间水平间距25m。拱架转换方案立面及各构件截面尺寸如图2所示。自平衡钢拱架的主要受力特征为拱架承压，下弦杆受拉，中间竖腹杆为吊柱，整体形成一种自平衡的结构体系。拱架最复杂的节点位于拱脚，该处存在较大推力，支承柱受剪较大，且对邻跨结构造成较大平面内力，极端情况会引起反拱，因此针对性的在3、4层水平弦杆中设置了预应力钢绞线，既平衡水平力同时减小弦杆拉力，经计算施加预应力后下弦杆及支承柱水平力可降低13，且拱架竖向位移略有降低，效果良好。拱架采用箱型钢管混凝土构件，内灌C60高强混凝土，可保证其受压及稳定。

图2 拱架转换方案及构件截面参数

3 低位连体的影响

连体结构会约束两塔楼之间的变形，对主塔的扭转造成影响，与高位连体相比，低位连体对主塔楼影响偏小。为了评估其影响，计算时分别采用带连体的整体模型和独立的主塔模型进行对比，并重点分析扭转对拱架内力和变形的影响，故补充分析了±45°地震方向角，并适当放大偶然偏心至7%，通过这些措施充分分析其侧向扭转效应。

通过整体模型、单塔模型的多遇地震反应谱内力分析结果（见表 1），可知低位连体对主塔的周期、层间位移角及主振型影响较小，其原因是南北两塔楼体量、刚度差异大，下部结构的变形也小，主塔楼振型相对独立。在连接屋面层即第6层因平面尺寸加大，扭转位移比会比单塔模型大。

表1 整体模型和分塔模型结果对比

连体对主塔楼的整体指标无较大影响，但需保证其足够的平面内刚度以传递水平力，而常规的弹性反应谱分析无法包络住所有振型，在极端不利情况下可能出现南北两塔楼异向位移变形的情况，故连体楼板抗拉设计时采用主塔楼、副塔楼各单体模型计算，然后以塔楼楼层剪力值之和来进行连体板内配筋。

4 抗震性能

本连体的抗震性能目标设为中震弹性、大震不屈服，按《高规》［1］的要求，跨度较大的转换结构需补充验算竖向地震。针对上述地震工况，采用MIDAS GEN有限元软件进行整体计算。各工况下主要构件内力见表2。

表2 主要构件内力结果

通过分析可知，低位钢连廊静载工况（1.2恒+1.4活）受力最大，中震弹性工况与竖向地震工况内力差距不大，且不起控制作用。此结果进一步说明低位连体的地震内力并不突出，若楼层的活荷载较大时，可能普通静荷载工况内力值更大，因静载工况组合公式中活荷载分项系数大。弦杆最大轴力仅为1650kN，这反映出拱架转换结构独特的优点，即双拱能吸收大部分荷载，通过吊杆将各楼层荷载转换为拱体轴向压力，整体结构以轴向内力为主，比常规的桁架转换结构弯矩内力小很多，同时弦杆内力很小，可极大的减小水平弦杆的截面尺寸，保证其安全度。

在静载工况下，单榀拱架的变形图如图3所示。拱架变形最大处位于拱顶，因竖向吊杆荷载集中于该处，竖向位移约为 33mm，能满足《钢结构设计规范》［3］的挠度要求。

图3 单榀拱架变形图

5 温度作用

连体两侧刚性连接，且为钢结构，温度作用十分显著，升降温时连体部分变形受两侧塔楼约束，会造成较大的拉压力，因此需分析其温度效应。按照《建筑结构荷载规范》［2］的要求，温度作用组合系数采用0.6。考虑混凝土结构的收缩徐变，弹性模型以0.3的系数折减，钢构件弹性模量不变。分别考虑以下4个主要工况：①1.2 恒+1.4 活+0.6×1.4 升温 25°；②1.2恒+1.4 活+0.6×1.4 降温 25°；③1.2 恒+0.7×1.4 活+1.4升温 25°；④1.2 恒+0.7×1.4 活+1.4 降温 25°。

分析结果表明最大内力工况为工况①、工况②，该荷载组合下各杆件内力最大，故为各构件截面设计控制性荷载组合。

连体及两侧变形较大处位于刚度相对较弱的副楼，主塔楼抗侧刚度大，其连接处变形小，如图4。双拱架在降温工况下对两侧支撑柱会产生极大的拉力和水平剪力，副楼拱脚处柱水平剪力约为2844kN，可见连体温度作用对塔楼影响极大。弧形拱架轴力仅增大380kN，弯矩变化较小，对温度作用不敏感，底部下弦杆受温度作用影响最大。

图4 降温工况下结构变形

6 施工模拟分析

本工程属于复杂高层建筑，低位连体钢结构的安装次序不同内力则不同，需进行施工阶段模拟分析。本连体施工顺序拟定如下：①先施工主、副塔楼至裙房屋面上一层（底部加强区）；②安装钢结构整体拱架；③按3～6层楼面的先后顺序安装各楼层钢梁。施工阶段模型如图5所示。

图5 施工模拟部分工况

通过各阶段施工子步分析可知，内力极值出现在最后一个子步，即全部楼层梁板施加完毕后，此时荷载最大故拱架内力最大。拱架的侧向位移极值出现在中间步。在安装3、4层楼面而未施工5、6层时，拱架顶部侧向变形最大，约为9mm，原因是顶层楼层梁未安装不能提供支承，导致侧向变形明显。因此施工时应加设临时支撑保证结构的侧向稳定。

7 楼盖舒适度分析

图6 楼盖第1阶振型

表3 楼板的特征值分析结果

表4 峰值加速度计算结果

按《高规》第3.7.7条的要求，楼盖结构应具有适宜的舒适度。本连体结构为转换结构，两拱之间的水平次梁跨度达到25m，结构刚度偏弱，须进行楼盖结构的舒适度验算。按《高规》要求，楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz，竖向震动加速度峰值不应超过0.15ms2。对本连体结构，选取人流密集的4层宴会厅作为分析对象，楼盖的阻尼比取0.02，楼板的主振型及周期计算结果如图6及表3。第1阶竖向自振频率3.19Hz，因为人们有节奏的步行活动作用步频通常为3Hz，与本楼盖基本振型的频率相当，因此人行走时可能会引起较大的竖向振动，故需补充验算楼板的竖向振动加速度峰值。采用弹性时程分析方法验算人行走及跑动时引起的楼板峰值加速度。考虑的工况主要有：①多人同时行走一步；②多人同时连续行走；③多人同时跑动；行人重量按70kg fffff6人来考虑。在以上3种工况下，楼板的竖向振动加速度峰值计算结果见表4，可知楼盖舒适度能满足要求。