柔性连接连体结构设计研究

2022-05-20马大杰袁斌波

工程建设与设计 2022年7期

马大杰，袁斌波

（禾泽都林设计集团有限公司，浙江嵊州 312400）

1 引言

随着建筑行业不断向前发展，现代建筑的功能也出现了不同以往的变化，因此，各种改进措施和应对方案应运而生。为满足建筑各部分主体结构的连接和使用要求，常在主体部分之间设置连廊结构。当前，带连廊的建筑结构是在建筑行业中较为常用的建筑结构，走廊与主体的连接主要采用刚性连接、铰链连接、滑动连接、柔性连接等链接方法。JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》中规定：在连体结构与主体结构中间采用刚性连接[1，2]。

紧密的连接使相互连接的主体结构相互影响，产生耦合现象，使连接处的应力变得更加复杂。由于地震的影响，廊道结构容易与主体结构分离，严重的甚至会造成整体倒塌现象。这些情况致使连廊结构的设计成为当前结构设计人员面临的难题。目前，我国对带走廊的复杂性和功能性强的建筑物设计还没有完善的技术标准。国内外诸多专家学者对连廊结构进行了大量的研究调查分析，如对摩天大楼廊道结构连接方式的理论分析、振动台试验研究等，探讨连接体位置发生变化对结构体系抗震性能的影响等[3]。当两侧塔楼动力特性相差较大时，连接体一般采用半刚性连接，连接体包括一端刚接、一端滑动或一端刚接、一端铰接等几种形式。当两侧塔楼体型特殊及刚度较大，其动力特性相差很大时，连接体可采用柔性连接，可减弱连接体对两侧塔楼的影响，此时连接体一端滑动、一端铰接或两端均为滑动。对于连体结构的滑动连接点，可以设于塔楼节点位，并设置防跌落装置，确保连接体在经历罕遇地震作用时不致跌落，以防发生次生灾害。

2 工程概况

本项目工程主体为多层框架廊道结构，包含了两座5 层楼高的厂房以及1 座5 层楼高的附属楼，厂房工程主体为钢筋混凝土框架结构；厂房、附属楼以及地下室的层高分别为24.6 m、23.6 m、3.4 m。附属楼与厂房之间存在高度差，因此，两栋建筑的每层楼之间都会发生错位。在整体的结构设计上，两座厂房和附属楼，在主体两端的垂直方向上布置了2 个独立的连接通道，形成一个对称的廊道结构；两条廊道标高分别为14.1 m 和18.6 m，廊道两端的标高一致，走廊跨度为17.0 m，宽度25.2 m。

本项目中的柔性连接采用铅芯叠层橡胶支座，位于廊道与主体结构的连接处，柔性支撑件的机械性能见表1。

表1 柔性支撑件的机械性能

3 柔性连接连体体系性能分析

3.1 连接结构整体分析

若连廊与主体结构分别用柔性连接和刚性连接时，在连接结构的前12 阶周期和模态系数图中，通过详细的测算，综合分析各周期模态的情况。连接结构的振动主要参考各单元的第一模态，中心的单体振动为前3 阶振型，两边对称的主体振动为4～6 阶振型。结合相关计算得出，柔性连接方式结构的整体刚度小于刚性连接方式结构，而两端柔性连接的结构整体刚度普遍比较低，廊道与主体结构柔性连接周期比采用刚性连接的略有增加[4]。

3.3 连接体与主体结构滑动量计算

本工程为多层构架廊道的建筑物，该项目场地处于地震带附近，场地类别为Ⅱ类，建筑物主体框架抗震等级为二级。对本工程结构进行3D 有限元时程分析，并且采用了最新的空间计量模型，通过隔震支撑单元模拟柔性连接结构的非线性特性。输入来自实际地震记录的5 个自然波和与站点匹配的3个人工合成具有加速度时程的场地波。

参考姚江强学者的研究可知[5]，当连接体与主体结构出现滑动时，支座的滑移量要满足两个方向的移动，当地震所致支座滑移，应考虑使用时程分析。因此，对本工程进行时程分析，结果表明，地震作用下左侧多层结构连接体所处楼层发生的最大位移量为75 mm，在地震作用下右侧高层结构连接体所处楼层，两个方向发生的最大位移量分别为40 mm、51 mm。

综上，需要根据所处楼层的最大位移量，设计本工程支座的滑动位移量。故本工程设计中，钢连廊滑动支座的一般允许水平位移量取100 mm。根据规定，本工程连体结构最小防震缝宽度为140 mm，比钢连廊滑动支座的允许水平位移量要大，本次设计中防震缝取值为150 mm，满足预防连接体与右侧高层相撞的设计要求。

固定铰支座和双向滑动铰支座均采用成品抗震支座，应由专业厂家设计制作，以满足安装要求。支架与上下结构均在工程现场进行焊接，采用E43 型焊条进行手工焊接，H08Mn2SiA 焊丝进行CO2气体保护焊，设计焊缝为坡口焊，保证焊缝质量等级为二次焊。在支座安装时，应采取可靠的措施，确保支座安装过程中的受力在设计支座承载力限值以内。在滑动支座和铰支座周围均设置钢筋混凝土防跌落挡板，以防连接体在地震作用下发生掉落，从而引发次生灾害。

3.4 支座连续抗倒塌分析

支座作为支撑连廊的重要构件，如果其中一个支座突然失效，这样会导致结构安全冗余度降低，有可能造成连廊连续性破坏或倒塌情况。因此，作为本工程重点控制的结构，采用拆除构件法对连廊抗连续倒塌情况进行分析，每榀桁架单侧共设计8 个支座，考虑结构对称性，假定其中一个支座失效，计算结果见表2。

从表2 可知：

表2 单个支座失效后计算结果

1）在单个支座失效时，支座最大反力为2 922 kN，小于支座承载力规定的设计值3 000 kN；

2）连廊钢结构最大应力比0.95，小于规定的最大应力比1.0；

3）上层支座的最大支座反力要比下层支座大，下层支座对连廊的最大应力要比上层支座大；

4）单个支座失效对连廊整体的竖向变形影响很小。当走廊与主体结构分别采用柔性连接和刚性连接时，对低强度地震下位移响应进行分析，对在地震作用下主体结构楼层之间的平均位移进行响应计算；如果连体结构遇到大的地震波时，则分别计算柔性连接和刚性连接的主体结构楼层之间的位移响应情况。本工程将刚性连接与柔性连接的层间位移响应进行比较，可知柔性连接的层间位移小于刚性连接的层间位移。但在某种程度上看，不同连接方式的层间平均位移响应图形的形状大致相同，而廊道位置层位移比较大。因此，要改善廊道的竖向结构刚度，从而有效减少了因结构突变造成的薄弱部位倒塌的现象。

由此可见，通过设置双层支座，不仅能分散竖向力，降低单个支座高度，还能提高结构的安全冗余度和抗连续倒塌能力。但由于双层支座受力冗余度大，这对支座受力控制和施工精度提出了较高的要求，在实际施工中应设置应力片对支座处的受力状态进行检测，以保证施工质量和安全。可以在支座底板边缘设置高强度边界，不仅可以作为固定板簧的组件，还可以有效避免发生极端情况，避免连接体与主体结构位移差较大，连接体跌落的情况[6]。