钢结构连廊柔性连接设计

志成广场钢结构连廊柔性连接设计陈伟军（广州市城市规划勘测设计研究院，广州510060）提要 带连廊的建筑结构是现代建筑中常用的一种建筑结构形式。在地震作用下，被连接的两栋主体的动力特性会由于连廊的存在而相互影响出现耦连现象，使连接部位的应力变得非常复杂。连廊结构在地震作用下极易与主体结构脱离，产生整体倒塌现象，国内外的地震灾害现象均证实了这一点。分析震害中连廊整体倒塌的原因，大部分是由于连廊支承结构破坏或连廊位移过大、连接处破坏造成的。因此，连接节点的设计和处理，是连廊结构的关键。本文阐述了志成广场设计中采用连廊与主体结构柔性连接的方案，改善连廊连接部位的复杂应力状态，使连廊与主体结构之间协同工作，从而提高整体结构的抗震性能，并希望对业界能有一定的参考价值。关键词 钢结构连廊，柔性连接，橡胶支座，有限元分析一、 工程概况志成广场是广东伟志成房地产开发有限公司兴建的高级办公楼。该工程包括两栋办公塔楼，位于广州市广园东路沙河立交东端、瘦狗岭南麓。办公楼上部结构为13层，地下室4层，建筑总高度为49.85m（从南面室外地坪起算），结构类型为钢筋混凝土框架结构，高宽比2.67小于4，满足规范的要求。办公楼在立面和平面上均较为规则、均匀，其主体结构由两栋平面为矩形的钢筋混凝土框架结构组成，两栋框架结构之间在顶层（即上部结构第13层处）由长24m、宽18m的钢结构连廊连接，连廊与主体结构之间采用8个橡胶柔性支座连接，以改善整体结构在风载和地震荷载作用下的性能，其效果图见图1。 图1 志成广场办公楼建筑效果图二、 有限元分析（一） 柔性支座计算参数 柔性支座在竖向应满足竖向承载能力要求，在水平地震作用下小震和风荷载作用下，柔性支座受力应尽量处在弹性范围内，大震时柔性支座位移最大位移应控制在其容许范围内。表1是所选用柔性支座LRB500 USVF-500-G6有关参数。表1 柔性支座计算参数型号LRB500 USVF-500-G6竖向刚度（kN/mm）1526设计荷载（kN）1807一次形状系数25.2二次形状系数5.3形状尺寸橡胶外径（mm）490铅芯直径（mm）100橡胶总厚（mm）92.5产品高度（mm）164水平应变50%水平等效刚度（kN/mm）2.843二次刚度（kN/mm）1.429等效阻尼比（%）29水平应变100%水平等效刚度（kN/mm）1.908屈服前刚度（kN/mm）7.812屈服后刚度（kN/mm）1.202屈服力（kN）65.3阻尼比（%）22.4水平应变250%水平等效刚度（kN/mm）1.238二次刚度（kN/mm）0.956阻尼比（%）14.2（二） 设计要求1、在小震、风荷载和温度荷载作用下，柔性支座的位移满足建筑设计要求；2、在大震作用下，柔性支座的位移=392.5=277.5mm，且满足0.55=0.55500=275mm；柔性支座的竖向荷载满足设计荷载=1807kN 志成广场办公楼主体结构为钢筋混凝土结构，连廊采用钢结构。柱及梁采用frame杆件模拟，杆与杆之间刚接。连廊与主体结构之间柔性支座采用非线性特性的isolator1单元来模拟，见图2。单元参数严格按照表1中内容输入。图3为带连廊结构的整体SAP模型图。 图2 SAP 2000非线性isolator1单元 图3志成广场带连廊结构SAP计算模型三维视图（三）柔性支座在风载与温度荷载作用下计算1、风荷载作用下计算基本风压： 0.55kN/ m2地面粗糙度类别： C类围护结构高： 3.6m考虑到连廊在顺桥向所受的风荷载较小，本报告只进行了连廊侧迎风面风荷载的计算，计算依据为建筑结构荷载规范（GB 50009-2001）和高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3-2002）（J186-2002）中有关风荷载的内容。其计算公式如下：24000XY连廊主楼主楼1357246818000式中为高度处的阵风系数，为风荷载体型系数，为高度z处的风压高度系数，为基本风压，为风荷载标准值。表2为连廊风荷载迎风面（Y向）计算结果。表中为单个连廊总的风荷载标准值，（50%）为单个连廊柔性 图4柔性支座编号支座变形为50%的总等效刚度，为风荷载作用下柔性支座水平剪切变形。连廊及柔性支座编号见图4。表2连廊风荷载迎风面（Y向）计算结果连廊序号 (m)( kN/ m2)( kN/ m2)(kN）（50%）（kN/ mm）（mm）143.20.551.171.31.761.47127.222.745.59满足建筑设计要求。2、温度荷载作用下计算为简化计算，将连廊简化为一轴向杆件，计算其在温度荷载作用下的轴向变形，温度变化按20C变化进行水平变形计算，温度线膨胀系数取为1210-6：（mm）每个柔性支座顺桥向的水平变形为5.76mm，满足设计要求。（四）带连廊整体结构的动力特性计算对主体结构底部施加固定约束，连廊与主体结构连接处设置非线性单元isolator1，采用SAP2000对其进行了动力特性的计算，得出小震作用下带连廊整体结构模型110阶振型的自振周期。1、结构小震反应计算采用时程分析法对带连廊的整体结构进行小震计算。在输入地震波时，Y向与X向输入波峰值的比例为1：0.85。图5为柔性支座7在小震Taft地震波输入时的水平剪力-水平剪切变形的滞回曲线。图5小震Taft波作用下X向剪力-变形曲线 图6大震El Centro波作用下Y向剪力-变形曲线 2、结构大震反应计算仍采用时程分析法，加速度幅值变为2.20m/s2，带连廊的整体结构进行了大震计算。在输入地震波时，Y向与X向输入波峰值的比例为1：0.85。图6为柔性支座7在大震El Centro地震波输入时的水平剪力-水平剪切变形的滞回曲线。三、 结果分析由以上分析可见：（一）、在小震El Centro波、Taft波和场地波双向地震作用下，8个柔性支座的竖向承载力最大值为814.68 kN，X向水平剪力最大值为59.41kN，X向水平位移最大值为6.57mm，Y向水平剪力最大值为39.04kN，Y向水平位移最大值为3.44mm，满足设计要求；（二）、在大震El Centro波、Taft波和场地波双向地震作用下，8个柔性支座的竖向承载力最大值为922.68 kN，X向水平剪力最大值为169.93kN，X向水平位移最大值为78.65mm，Y向水平剪力最大值为225.74kN，Y向水平位移最大值为107.51mm，满足设计要求。四、柔性支座节点详图柔性支座的有关力学性能见表1，图7、图8为柔性支座大样及下预埋板详图。每个连廊两端均设四个柔性支座LRB500 USVF-500-G6，柔性支座一端与连廊纵向主梁相连，另一端与主体结构伸出的牛腿相连，柔性支座与连廊、主体结构均采用8.8级M30高强螺栓连接，为使柔性支座在大震作用下水平方向自由变形，主体结构和连廊在与柔性支座连接处，柔性支座四周均应留有200mm的空隙，与竖直固定物的脱开距离不小于15mm。为防止柔性支座在罕遇地震作用下发生过大的位移，每个柔性支座四角均设一个阻尼限位条。图9为柔性支座与主体结构、连廊的连接节点大样图。图7柔性支座大样图8柔性支座预埋板大样图9柔性支座与主体结构、连廊的连接节点大样图参考文献(1) 周福霖。工程结构减震控制。北京：地震出版社，1997(2) 徐培福等。复杂高层建筑结构设计。北京：中国建筑工业出版社，2005(3) 陈富生等。高层建筑钢结构设计。北京：中国建筑工业出版社，2000(4) 沈祖炎等。海峡两岸及香港钢结构技术研讨会暨2000年上海钢结构技术交流会论