鋼結(jié)構(gòu)連廊柔性連接設(shè)計

/志成廣場鋼結(jié)構(gòu)連廊柔性連接設(shè)計陳偉軍（廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計探討院，廣州510060）提要帶連廊的建筑結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑中常用的一種建筑結(jié)構(gòu)形式。在地震作用下，被連接的兩棟主體的動力特性會由于連廊的存在而相互影響出現(xiàn)耦連現(xiàn)象，使連接部位的應(yīng)力變得特殊困難。連廊結(jié)構(gòu)在地震作用下極易和主體結(jié)構(gòu)脫離，產(chǎn)生整體倒塌現(xiàn)象，國內(nèi)外的地震災(zāi)難現(xiàn)象均證明白這一點(diǎn)。分析震害中連廊整體倒塌的緣由，大部分是由于連廊支承結(jié)構(gòu)破壞或連廊位移過大、連接處破壞造成的。因此，連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計和處理，是連廊結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。本文闡述了志成廣場設(shè)計中接受連廊和主體結(jié)構(gòu)柔性連接的方案，改善連廊連接部位的困難應(yīng)力狀態(tài)，使連廊和主體結(jié)構(gòu)之間協(xié)同工作，從而提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性能，并希望對業(yè)界能有確定的參考價值。關(guān)鍵詞鋼結(jié)構(gòu)連廊，柔性連接，橡膠支座，有限元分析工程概況志成廣場是廣東偉志成房地產(chǎn)開發(fā)有限公司興建的高級辦公樓。該工程包括兩棟辦公塔樓，位于廣州市廣園東路沙河立交東端、瘦狗嶺南麓。辦公樓上部結(jié)構(gòu)為13層，地下室4層，建筑總高度為49.85m（從南面室外地坪起算），結(jié)構(gòu)類型為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，高寬比2.67小于4，滿足規(guī)范的要求。辦公樓在立面和平面上均較為規(guī)則、勻整，其主體結(jié)構(gòu)由兩棟平面為矩形的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)組成，兩棟框架結(jié)構(gòu)之間在頂層（即上部結(jié)構(gòu)第13層處）由長24m、寬18m的鋼結(jié)構(gòu)連廊連接，連廊和主體結(jié)構(gòu)之間接受8個橡膠柔性支座連接，以改善整體結(jié)構(gòu)在風(fēng)載和地震荷載作用下的性能，其效果圖見圖1。圖1志成廣場辦公樓建筑效果圖有限元分析（一）柔性支座計算參數(shù) 柔性支座在豎向應(yīng)滿足豎向承載實力要求，在水平地震作用下小震和風(fēng)荷載作用下，柔性支座受力應(yīng)盡量處在彈性范圍內(nèi)，大震時柔性支座位移最大位移應(yīng)限制在其容許范圍內(nèi)。表1是所選用柔性支座LRB500USVF-500-G6有關(guān)參數(shù)。表1柔性支座計算參數(shù)型號LRB500USVF-500-G6豎向剛度（kN/mm）1526設(shè)計荷載（kN）1807一次形態(tài)系數(shù)25.2二次形態(tài)系數(shù)5.3形態(tài)尺寸橡膠外徑（mm）490鉛芯直徑（mm）100橡膠總厚（mm）92.5產(chǎn)品高度（mm）164水平應(yīng)變50%水同等效剛度（kN/mm）2.843二次剛度（kN/mm）1.429等效阻尼比（%）29水平應(yīng)變100%水同等效剛度（kN/mm）1.908屈服前剛度（kN/mm）7.812屈服后剛度（kN/mm）1.202屈服力（kN）65.3阻尼比（%）22.4水平應(yīng)變250%水同等效剛度（kN/mm）1.238二次剛度（kN/mm）0.956阻尼比（%）14.2（二）設(shè)計要求1、在小震、風(fēng)荷載和溫度荷載作用下，柔性支座的位移滿足建筑設(shè)計要求；2、在大震作用下，柔性支座的位移≦=3×92.5=277.5mm，且滿足≦0.55=0.55×500=275mm；柔性支座的豎向荷載滿足≦設(shè)計荷載=1807kN 志成廣場辦公樓主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，連廊接受鋼結(jié)構(gòu)。柱及梁接受frame桿件模擬，桿和桿之間剛接。連廊和主體結(jié)構(gòu)之間柔性支座接受非線性特性的isolator1單元來模擬，見圖2。單元參數(shù)嚴(yán)格依據(jù)表1中內(nèi)容輸入。圖3為帶連廊結(jié)構(gòu)的整體SAP模型圖。圖2SAP2000非線性isolator1單元圖3志成廣場帶連廊結(jié)構(gòu)SAP計算模型三維視圖（三）柔性支座在風(fēng)載和溫度荷載作用下計算1、風(fēng)荷載作用下計算 基本風(fēng)壓：0.55kN/m2 地面粗糙度類別：C類 圍護(hù)結(jié)構(gòu)高：3.6m 考慮到連廊在順橋向所受的風(fēng)荷載較小，本報告只進(jìn)行了連廊側(cè)迎風(fēng)面風(fēng)荷載的計算，計算依據(jù)為《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2001）和《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）（J186-2002）中有關(guān)風(fēng)荷載的內(nèi)容。其計算公式如下：24000X24000XY連廊主樓主樓1357246818000式中為高度處的陣風(fēng)系數(shù)，為風(fēng)荷載體型系數(shù)，為高度z處的風(fēng)壓高度系數(shù)，為基本風(fēng)壓，為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。表2為連廊風(fēng)荷載迎風(fēng)面（Y向）計算結(jié)果。表中為單個連廊總的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，（50%）為單個連廊柔性圖4柔性支座編號支座變形為50%的總等效剛度，為風(fēng)荷載作用下柔性支座水平剪切變形。連廊及柔性支座編號見圖4。表2連廊風(fēng)荷載迎風(fēng)面（Y向）計算結(jié)果連廊序號(m)(kN/m2)(kN/m2)(kN）（50%）（kN/mm）（mm）143.20.551.171.31.761.47127.222.745.59滿足建筑設(shè)計要求。2、溫度荷載作用下計算 為簡化計算，將連廊簡化為一軸向桿件，計算其在溫度荷載作用下的軸向變形，溫度變更按20C變更進(jìn)行水平變形計算，溫度線膨脹系數(shù)取為12х10-6： （mm） 每個柔性支座順橋向的水平變形為5.76mm，滿足設(shè)計要求。（四）帶連廊整體結(jié)構(gòu)的動力特性計算 對主體結(jié)構(gòu)底部施加固定約束，連廊和主體結(jié)構(gòu)連接處設(shè)置非線性單元isolator1，接受SAP2000對其進(jìn)行了動力特性的計算，得出小震作用下帶連廊整體結(jié)構(gòu)模型1~10階振型的自振周期。1、結(jié)構(gòu)小震反應(yīng)計算 接受時程分析法對帶連廊的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行小震計算。在輸入地震波時，Y向和X向輸入波峰值的比例為1：0.85。圖5為柔性支座7在小震Taft地震波輸入時的水平剪力-水平剪切變形的滯回曲線。圖5小震Taft波作用下X向剪力-變形曲線圖6大震ElCentro波作用下Y向剪力-變形曲線2、結(jié)構(gòu)大震反應(yīng)計算 仍接受時程分析法，加速度幅值變?yōu)?.20m/s2，帶連廊的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大震計算。在輸入地震波時，Y向和X向輸入波峰值的比例為1：0.85。圖6為柔性支座7在大震ElCentro地震波輸入時的水平剪力-水平剪切變形的滯回曲線。結(jié)果分析由以上分析可見：（一）、在小震ElCentro波、Taft波和場地波雙向地震作用下，8個柔性支座的豎向承載力最大值為814.68kN，X向水平剪力最大值為59.41kN，X向水平位移最大值為6.57mm，Y向水平剪力最大值為39.04kN，Y向水平位移最大值為3.44mm，滿足設(shè)計要求；（二）、在大震ElCentro波、Taft波和場地波雙向地震作用下，8個柔性支座的豎向承載力最大值為922.68kN，X向水平剪力最大值為169.93kN，X向水平位移最大值為78.65mm，Y向水平剪力最大值為225.74kN，Y向水平位移最大值為107.51mm，滿足設(shè)計要求。四、柔性支座節(jié)點(diǎn)詳圖柔性支座的有關(guān)力學(xué)性能見表1，圖7、圖8為柔性支座大樣及下預(yù)埋板詳圖。每個連廊兩端均設(shè)四個柔性支座LRB500USVF-500-G6，柔性支座一端和連廊縱向主梁相連，另一端和主體結(jié)構(gòu)伸出的牛腿相連，柔性支座和連廊、主體結(jié)構(gòu)均接受8.8級M30高強(qiáng)螺栓連接，為使柔性支座在大震作用下水平方向自由變形，主體結(jié)構(gòu)和連廊在和柔性支座連接處，柔性支座四周均應(yīng)留有200mm的空隙，和豎直固定物的脫開距離不小于15mm。為防止柔性支座在罕遇地震作用下發(fā)生過大的位移，每個柔性支座四角均設(shè)一個阻尼限位條。圖9為柔性支座和主體結(jié)構(gòu)、連廊的連接節(jié)點(diǎn)大樣圖。圖7柔性支座大樣圖8柔性支座預(yù)埋板大樣 圖9柔性支座和主體結(jié)構(gòu)、連廊的連接節(jié)點(diǎn)大樣圖參考文獻(xiàn)(1)周福霖。工程結(jié)構(gòu)減震限制。北京：地震出版社，1997(2)徐培福等。困難高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計。北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005(3)陳富生等。高層建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。北京：中國