钢结构连廊柔性连接设计

1 志成广场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 提要提要 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 关键词关键词 钢结构连廊 柔性连接 橡胶支座 有限元分析 一 一 工程概况工程概况 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 图图 1 1 志成广场办公楼建筑效果图志成广场办公楼建筑效果图 二 二 有限元分析有限元分析 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 2 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 表表 1 1 柔性支座计算参数柔性支座计算参数 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 橡胶外径 mm 490 铅芯直径 mm 100 橡胶总厚 mm 92 5 形状尺寸 产品高度 mm 164 水平等效刚度 kN mm 2 843 二次刚度 kN mm 1 429 水平应变 50 等效阻尼比 29 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 水平应变 100 阻尼比 22 4 水平等效刚度 kN mm 1 238 二次刚度 kN mm 0 956 水平应变 250 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 3 92 5 277 5mm 且满足 0 55 0 55 500 275mm r T3 D 柔性支座的竖向荷载满足 设计荷载 1807kNF 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 图图 2 2 SAPSAP 20002000 非线性非线性 isolator1isolator1 单元单元 图图 3 3 志成广场带连廊结构志成广场带连廊结构 SAPSAP 计算模型三维视图计算模型三维视图 3 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 0 wuuw zsgzk 式中为高度处的阵风系数 为风荷载体 gz z s u 型系数 为高度 z 处的风压高度系数 为 z u 0 w 基本风压 为风荷载标准值 表 2 为连廊风荷 k w 载迎风面 Y 向 计算结果 表中为单个连廊 k F 总的风荷载标准值 50 为单个连廊柔性 图图 4 4 柔性支座编号柔性支座编号 eq K 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 表表 2 2 连廊风荷载迎风面 连廊风荷载迎风面 Y Y 向 计算结果向 计算结果 连廊 序号 i Z m 0 w kN m2 z u s u gz k w kN m2 k F kN 50 eq K 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 20 C 变 化进行水平变形计算 温度线膨胀系数取为 12 10 6 mm 76 5 124000101220 6 N tA 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 1 10 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 2400 0 X Y 连 廊 主 楼 主 楼 1 3 5 7 2 4 6 8 4 图图 5 5 小震小震 TaftTaft 波作用下波作用下 X X 向剪力向剪力 变形曲线变形曲线 图图 6 6 大震大震 ElEl CentroCentro 波作用下波作用下 Y Y 向剪力向剪力 变形曲线变形曲线 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 三 结果分析结果分析 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 50 40 30 20 10 0 10 20 30 40 6 4 20246 deformation mm shear kN Taft 200 150 100 50 0 50 100 150 200 150 100 50050100150 deformation mm shear kN El Centro 5 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 備 注 數 量 名 稱 位 置 橡 膠 層 外 包 膠 六角頭螺栓 積 層 鋼 板 鉛 心 代 號 封 鋼 板 聯 結 板 LRB500 USVF 500 G6 產品圖 橡 膠 橡 膠 單 件 高强发黑8 8级 材 料 GB700 Q235 總 計 技术要求 1 橡胶材料 天然橡胶 G 0 6Mpa 2 钢材材料 符合GB700 Q235 3 联结板表面电镀锌处理 要求无杂质 无漏镀 4 组装品平行度不大于联结板边长的1 300 重 量 kg GB700 Q235 GB T469Pb99 994级 GB700 Q235 图图 7 7 柔性支座大样柔性支座大样 8 所有配件组装后 不得露出预埋板板面 且联接牢固 7 预埋钢板四边及中孔氧割割边 车一平面 为使构件紧密贴合 毛刺飞边 尘土油漆等不洁物质 要求 表面完整 无缺陷 表面粗糙度除标注表面外其余 安装的倾斜度不大于1 300 6 5 4 2 3 1 焊条采用 GB T5117 1995 焊缝必须密实 饱满 材料 Q235A 技术要求 1 2 68 技术要求 X48 焊缝等级为二级 焊条 性能需符合 预埋螺栓套筒 110 的规定 E4303E4301或 12 8 型 M30 M X 200 内螺紋 外螺紋 24 48 可调节螺杆4套 预埋螺栓套筒8套 预埋锚筋22支 贴合面上严禁有电焊气割溅点 型式尺寸及技术条件必须符合 只用于预埋件下板 可调节螺杆A 50X M24 外六角螺栓 5 170 高强螺栓孔必须是钻孔而成 GB5782 A级 级高强螺栓M30 x1208 8配件 Q235A 材料 40 50 预埋锚筋 12 8 200 25 50 只用于预埋件下板 可调节螺杆B 5020 15 M24深 5 M24X20 M24X23 B B 居中4個 用於調節螺杆 图图 8 8 柔性支座预埋板大样柔性支座预埋板大样 6 图图 9 9 柔性支座与主体结构 连廊的连接节点大样图柔性支座与主体结构 连廊的连接节点大样图 参考文献参考文献 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