某大跨度钢结构连廊设计剖析

某大跨度钢结构连廊设计剖析

崔雪蕾

深圳市华阳国际工程设计股份有限公司广州分公司510655

摘要：重庆万象城大型商业综合体两栋商业之间采用大跨度钢结构连廊形式连接，一层架空为机动车道。本文利用ETABS及MIDAS对该连廊建立计算模型进行结构、隔震支座连接、抗震性能目标及竖向振动分析。

关键词：大跨度钢连廊；隔震支座；竖向振动；抗震性能化目标

1、引言

近年来，现代建筑结构为了满足社会生活和居住环境的需要，尽量减少内部竖向构件以提供更大的覆盖空间，本文以大跨度钢连廊作为工程实例，对钢连廊自身结构、钢连廊两端与混凝土之间采用的隔震支座连接以及竖向振动下的舒适度进行分析，并对多于地震及罕遇地震下的抗震性能目标进行分析。

2、工程概况

本工程位于重庆市九龙坡区谢家湾正街47号，由裙楼、塔楼及大底盘地下室组合而成的城市综合体。两栋裙楼使用功能均为商业，过街楼位于两栋裙楼之间，是连接两栋裙楼2层至5层贯通连廊。

图1过街楼二层平面图

钢结构过街楼为五层钢框架结构，一层架空，二至五层框架梁间设置竖腹杆，形成空腹桁架结构，总高31m，一层层高为12.5m，二到五层层高均为6m。四层结构侧向收进，钢柱不连续。四根钢柱平面跨度为34x15.6m，长跨方向两边悬挑分别为10m和11m，两边悬挑与主楼设抗震缝，并采取铅芯橡胶隔震支座连接。

图2过街楼模型

3、工程抗震超限情况和设计原则

本工程过街楼跨度大，采用空腹钢桁架结构，自身刚度不足以协调两边裙楼位移，所以过街楼和裙楼采用弱连接，使过街楼对两侧裙楼的影响降至最小。二层下弦两端钢梁设置8个铅芯橡胶隔震支座，根据位移、竖向承载力、刚度、屈服力、阻尼比等要求选取合适的铅芯橡胶隔震支座，使支座在小震作用和风荷载作用下保持弹性工作，变形满足结构正常使用要求，而支座最大塑性变形量大于罕遇地震作用下的变形。

根据本工程的重要性，依据《高层建筑混凝土结构技术规程》基于性能的抗震设计方法，过街楼抗震性能目标为B，按照中等延性构造进行设计。

4、结构计算与分析概述

4.1多遇地震下的抗震性能分析

过街楼结构计算分析主要从弹性和弹塑性两个阶段进行，弹性阶段的计算分析针对多遇地震下与抗震设防地震下的设计，主要采用了振型分解反应谱法，并按规范的简化方法计算竖向地震作用，使用软件为ETABS及MIDAS。反应谱分析时结构竖向地震影响系数最大值按水平地震影响系数最大值的65%采用，根据竖向地震分析结果，竖向地震影响系数为放大10%，其值为0.1。另外采用弹性时程分析法进行了多遇地震下的补充计算。

4.2弹性动力时程补充计算

本工程选用了两组双向天然波和一组安评提供的人工波，其频谱特性在统计意义上与规范及安评反应谱相符，最大峰值加速度为18cm/s2，持时按时程记录时长，计算步长为0.02s。

由ETABS程序计算三条地震波时程的基地剪力与CQC方法基地剪力比较可以看出，单条地震时程基地剪力均大于0.65CQC基地剪力，三条波时程基地剪力的平均值大于0.8CQC，小于1.35CQC基地剪力值，满足规范计算要求。总体上看，小震时程分析结果与反应谱计算结果具有一致性和规律性，小震时程分析层间位移角的分析结果表明，地震波作用下结构最大层间位移角均满足规范1/250的要求。

在多遇地震作用下，ETABS、MIDAS两种程序静力和动力计算均满足弹性设计的要求，结构水平位移均未超过规范限值，构件未出现应力比超限情况，从刚度和强度上均能满足各个构件处于弹性状态的要求，由此推断结构在多遇地震时能够充分满足性能水准1的要求。

4.3抗震设防地震下的抗震性能分析

分析可知由于地区为6度设防区，小震下αmax=0.04,地震力不起控制作用，可以预知本工程在中震作用下基本处于弹性状态。本工程实际按中震弹性来验算，αmax=0.114，在设防烈度地震作用下，满足规范性能水准2的要求，关键构件及竖向构件无损坏，中震下关键构件和竖向构件正截面承载力要满足中震弹性的要求。

4.4罕遇地震下的抗震性能分析（动力弹塑性时程分析）

弹塑性阶段的计算分析针对罕遇地震下的计算分析，采用SAP2000进行了弹塑性动力时程分析。罕遇地震采用三向地震作用，水平主向：水平次向：竖向=1:0.85:0.65。下图展示了在一条天然波时程作用下该结构体系出现塑性铰的情况，蓝色圆点为IO，

T50-63-2地震波Y向为主方向出铰情况

4.5罕遇地震下结构性能分析

由两条天然波一条人工波的动力弹塑性分析可以看出：结构在大震情况下的层间位移角均满足钢框架1/50的要求，能够保证大震不倒的性能要求，从层间位移角的分布来看，呈现出与静力弹塑性分析类似的情况。基底剪力和倾覆弯矩约为小震CQC计算值的4.4~6.9倍，说明结构轻微进入塑性阶段，在满足大震要求的基础上，少数框架梁出现了塑性铰，结构弹塑性发展并不充分，说明该结构主要耗能机制为框架梁，基于该耗能机制的特点，梁柱连接节点适当加强，保证结构的安全性和较好的延性耗能机制。

4.6人行荷载竖向自振频率舒适度验算

在设计阶段对结构进行舒适度分析，控制其在不同激励作用下的峰值加速度，以满足《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）第3.7.7条规定。

经过对过街楼跨中施加原地踏步、跳跃、连续行走荷载时程计算对比，其中过街楼跨中同时跳跃的荷载激励为最不利。结构竖向自振频率为2.33Hz，按规范线性插值的到连廊峰值加速度限值为0.2085m/s2。在人行荷载时程分析得到连廊结构竖向自振峰值加速度为0.1989m/s2，小于规范限值。

5、结语

本工程在小震时程分析层间位移角的分析结果表明，地震波作用下结构最大层间位移角均满足规范1/250的要求。由分析可知小震下αmax=0.04,地震力不起控制作用，可以预知本工程在中震作用下基本处于弹性状态，实际按中震弹性来验算αmax=0.114,中震下最大层间位移角小于抗震规范对钢框架1/250的要求，满足中震弹性的要求。结构在大震情况下的层间位移角均满足钢框架1/50的要求，能够保证大震不倒的性能要求。竖向人行激励作用下，采用最不利出现的激励工况，钢连梁峰值加速度小于规范限值，舒适度满足要求。

参考文献

[1]JGJ3-2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].中国建筑工业出版社，2011.

[2]GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].中国建筑工业出版社.2010.

[3]徐培福.复杂高层建筑结构设计.中国建筑工业出版社[M].2005.