大跨度连廊设计高层建筑论文

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1引言
随着国民经济的发展，我国的高层公共建筑迅猛发展，同时功能日趋复杂化、多样化，各种商业、体育、科研办公等建筑上的空中连廊结构越来越多，连廊以其活泼、美观、灵活组织交通的特点日益受到建筑师的青睐，成了城市中钢筋水泥森林里的一道道亮丽的风景线，为城市增添风采。笔者以实际设计工作中的一个典型大跨度钢结构连廊设计为例，谈点高层建筑大跨度钢结构连廊的设计体会。
2工程概况
该项目位于北京市昌平未来科技城北部研发园区，规划总建筑面积25.4×104m2，其中,办公+科研主体建筑为9层，由2组相对的弧形现浇钢筋混凝土框架剪力墙结构组合，前弧形为办公楼；与其相对的后弧形为科研楼，组合平面如图1所示。科研楼分为A、B两栋楼，两栋楼在1层和9层连为一体，在6层设有钢结构空中封闭式连廊，连廊两端与A、B两栋楼分别连接，连廊跨度36m，宽8.3m，是比较典型的大跨度连廊，连廊采用的是钢桁架结构形式，下面针对该连廊的设计要点详细阐述大跨度钢结构连廊的设计。
3连廊结构选型
大跨度连廊结构选型首推钢桁架，连廊的特点跨度大而宽度小，多处于高层建筑间的高处，钢连廊一般均为封闭式，所以桁架采用两片主桁架，使桁架高度可完全利用连廊高度，且不影响建筑的美观。一般桁架有下面两种基本形式，第一种，弦杆+斜腹杆+竖腹杆，结构合理简洁明快，斜腹杆角度45°最佳（见图2）；第二种，弦杆+竖腹杆+钢拉杆（斜杆），是为了在一定条件下最大限度满足建筑立面采用幕墙装饰时的形式，竖腹杆间距与玻璃幕墙板块宽度成倍数关系，如图3所示。桁架弦杆一般采用是H型截面，腹杆可采用H型截面或是箱型截面。本项目的钢连廊采用的是第一种结构形式。图2弦杆+斜腹杆+竖腹杆图3弦杆+竖腹杆+钢拉杆
4连廊结构设计特点
大跨度钢连廊结构具有一系列不同于普通结构的特点，结构设计计算中需特殊考虑以下几方面。
4.1扭转效应
与其他的体型结构相比，连廊结构的扭转振动变形比较大，这使得该结构形式的扭转效应非常明显，设计中必须特别给予注意。通常情况下，在风荷载或是地震荷载作用下，结构本身除了会产生出一定平动变形之外，也会产生出扭转变形，而扭转效应则会随着连廊两侧的主体结构不对称性的增加而进一步增大，即便是如本项目的两侧对称的连廊结构，连廊楼板发生变形后，也有可能引起连廊两侧2个主体结构的相向运动，此时这种振动形态也会随之变得更加复杂，相应的扭转效应就会更加明显。
4.2竖向地震力效应
在带有连廊的建筑结构当中，连廊之所以是较为重要的部位之一，是因为它的受力也相对比较复杂。因为连廊部分不但要协调两端结构主体的变形，从而在水平荷载的作用下需要承受较大的内应力，同时，对于大跨度连廊，除了会受到竖向荷载的作用之外，竖向地震作用对连廊结构的影响将十分明显。为了确保结构的安全性，设计时，应当充分考虑竖向地震作用的影响，这一点在实际设计过程中必须予以特别关注。
4.3连廊两端结构的连接方式
连廊结构与两端主体结构的支座连接是整个结构设计中最关键的环节，若处理不当，会使结构的整体安全性受到严重影响。连接处理方式通常都是按照建筑方案与实际布置情况进行确定的，主要包括：刚性连接、柔性连接、铰接连接以及滑动连接等。由于每一种连接方式的处理方法均不相同，所以都需要进行详细的分析和设计，确保结构的整体稳定性。
5连廊设计
该连廊跨度为36m，总宽度8.3m，总高度为4.5m，距离地面36.8m。楼面恒荷：4.0kN/m2，屋面恒荷：6.0kN/m2，楼面活载：3.0kN/m2，屋面活载：2.0kN/m2。抗震设防烈度：8度（0.20g），设计地震分组为第一组，特征周期0.45s，连廊钢结构设计考虑竖向地震作用及温度应力作用，温度参数采用合拢温度：（15±5）℃，升温30℃，降温30℃；连廊屋面钢梁和楼面钢梁均采用热轧H型钢。计算采用SAP2000程序计算，计算模型采用空间三维实尺模型；杆件选用2个节点，6个自由度的frame单元，该单元可以考虑拉（压）、弯、剪、扭4种内力的共同作用。图4所示为结构的计算模型轴测图。通过验算，整个结构所有的杆件应力比均低于1.0，满足强度设计和规范要求。
6连廊端部节点设计
通常情况下，连廊端头节点设计在温度变化、风荷载以及地震力的作用下，连廊两端的结构会发生水平位移。为了确保该连廊两端结构主体能够相互独立的产生水平位移又相互之间不彼此影响，连廊采用一端铰接连接，另一端滑动连接[1]。两端支座均能提供横向和竖向的约束，由滑动支座释放顺连廊方向的位移，位移取两侧主体结构罕遇地震作用下的弹塑性最大相对位移控制[2]。根据抗震验算，两侧结构的弹塑性最大相对位移为142mm，故该连廊滑动支座设计参数为：最大竖向支撑力1500kN，150mm的顺廊向位移，同时还可提供最大弧度为0.02rad的转向位移。此外，按照我国现行抗震规范规定，抗震缝的最小值应≥100mm，实际工程设计中，该连廊端头与混凝土主体结构间预留出不小于100mm的抗震缝。需要注意，主体结构支撑连廊支座的牛腿或柱为重要结构构件，需要特别予以加强，防止在罕遇地震作用下发生破坏。图8、图9分别为滑动端桁架与混凝土结构的下端和上端连接节点。
7楼板舒适度设计
本工程的连廊结构在设计过程中不仅需要对结构的刚度和强度进行有效控制，还需要对振动舒适度进行分析。《城市人行天桥与人行地道技术规范》（GJJ69—95）[3]中规定要求天桥上部结构的竖向自振频率不得小于3Hz，《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）中也有对楼盖舒适度的规定，要求楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz，实验证明，人体比较舒适的频率范围为4~12Hz。该连廊虽然满足刚度和强度的要求，但经过计算分析发现其第一竖向振频为2.7Hz，为使连廊能够更为舒适，设计中将连廊楼板混凝土厚度增加为160mm，并按《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3—2010）中规定的连体结构楼板厚度不低于150mm，双层双向配置钢筋网，每一层每个方向上的钢筋配筋率不得小于0.25%的要求进行设计，同时为减轻自重，采用轻集料混凝土，使楼盖第一自振频率达到3.9Hz，满足了规范对于舒适度的要求。
8结语
本文以工程实例重点介绍了高层建筑大跨度钢结构连廊设计的思路、方法以及需重点考虑的设计因素条件等，提出一个安全合理的钢连廊设计需要从桁架选型、计算内容、位移确定、支座连接节点设计、楼板的振动舒适度几大方面统筹兼顾，合理设计，最终实现业主和建筑的要求。