鄭濟坤

(廈門合立道工程設(shè)計集團股份有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

隨著建筑技術(shù)的不斷提升，雙塔高層間采用連接體連接的建筑形式日益常見。伴隨著此類建筑形式的發(fā)展，分析此類結(jié)構(gòu)的受力特點并采用合理的設(shè)計手段日益重要，尤其在我國東南一帶區(qū)域。首先，東南沿海風(fēng)災(zāi)頻繁且烈度大，雙塔高層的狹縫區(qū)域又極易出現(xiàn)風(fēng)速突然增大的情況，需深入分析狹縫效應(yīng)對結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的影響[1]；其次，狹縫處的高空連接體易在地震作用下受損，如何確保連接體結(jié)構(gòu)滿足“三水準(zhǔn)”抗震設(shè)防要求亦是值得設(shè)計人員深入思考；最后，需運用多道設(shè)防思想，保證連接體與主體結(jié)構(gòu)的連接安全可靠。

本研究擬結(jié)合某實際工程，對高空連廊常見的風(fēng)荷載狹縫效應(yīng)、抗震設(shè)防設(shè)計以及與主體的連接節(jié)點展開詳細(xì)的分析，為雙塔高層狹縫處高空連廊的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 工程概況

某工程位于泉州市豐澤區(qū)，為辦公建筑，整體效果圖如圖1所示。地塊東側(cè)兩棟塔樓為雙塔高層，高度分別為100m和132m，狹縫寬度約17m；狹縫處通過5座連廊連接，相鄰連廊豎向間距為15m。

圖1 雙塔高層地塊效果圖

該工程地處泉州市郊，抗震設(shè)防類別為丙類；抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，設(shè)計地震分組為第三組；場地類別：III類；50年一遇的基本風(fēng)壓：0.70kN/m2，地面粗糙度類別為B類。

2 風(fēng)荷載狹縫效應(yīng)分析

2.1 數(shù)值風(fēng)洞模型

通過流體有限元軟件建立數(shù)值風(fēng)洞模型，主體模型如圖2所示。計算域大小為1400m×1000m×500m(高)，阻塞率約2.6%。連廊采用高度2m的管型結(jié)構(gòu)建模，以便充分了解連廊各部位風(fēng)壓分布情況[2]。

圖2 數(shù)值風(fēng)洞的主體模型

輸入風(fēng)向采用正對雙塔狹縫，與高空連廊垂直的正反兩個方向。經(jīng)計算對比，由于樓棟遮擋原因，正向風(fēng)向(圖2箭頭方向)產(chǎn)生的風(fēng)壓大于反向。因此，下述分析均采用正向風(fēng)向的數(shù)據(jù)結(jié)果。

2.2 狹縫處風(fēng)速及風(fēng)壓特點

圖3為計算域中高度為50m處的X向風(fēng)速橫截面，計算時假定該高度處入口風(fēng)速為14m/s。

從圖3中可以看出，狹縫前部風(fēng)速減小至12m/s，而狹縫后部風(fēng)速明顯加大，峰值達(dá)18m/s，為來流方向風(fēng)速的1.5倍。

圖3 狹縫處的風(fēng)速變化圖

將管型連廊模型表面劃分為迎風(fēng)面、背風(fēng)面、上下表面等4面。根據(jù)定義，建筑體型系數(shù)即剛性模型表面壓強/來流方向風(fēng)力壓強，據(jù)此處理結(jié)果數(shù)據(jù)，得到圖4、圖5、圖6分別為迎風(fēng)面、背風(fēng)面、上下表面的體型系數(shù)。

從圖4可以看出，連廊迎風(fēng)面的體型系數(shù)為0.8，背風(fēng)面系數(shù)為-1.3；上表面體型系數(shù)為-1.6，下表面系數(shù)為-2.0。對比規(guī)范中矩形建筑物的體型系數(shù)，狹縫處連廊表面該系數(shù)顯著增大。為了分析狹縫效應(yīng)對連廊表面風(fēng)壓的影響，定義狹縫影響系數(shù)α。各表面體型系數(shù)及狹縫影響系數(shù)如表1所示。

圖4 連廊迎風(fēng)面體型系數(shù)

圖5 連廊背風(fēng)面體型系數(shù)

圖6 上表面(左圖)、下表面(右圖)體型系數(shù)

從表1可以看出，狹縫對迎風(fēng)面風(fēng)壓無影響，而狹縫處背風(fēng)面、上下表面負(fù)壓約為規(guī)范值的2.5倍。據(jù)此，得出該雙塔高層的風(fēng)壓狹縫影響系數(shù)為2.5，影響面為狹縫處背風(fēng)面及上下表面。

表1 連廊各表面風(fēng)壓的狹縫影響系數(shù)

3 高空連廊抗震設(shè)防設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)形式

該工程連廊兩端建筑體型、自振周期及振型差異較大，同時狹縫寬度不大，故采用兩端懸挑的結(jié)構(gòu)形式，如圖7所示。懸挑形式能避免地震作用下兩端主體不協(xié)調(diào)變形帶來的破壞，同時使連接節(jié)點的處理更加簡潔。

圖7 懸挑連廊結(jié)構(gòu)平面圖

同時，考慮到高空大跨度結(jié)構(gòu)的重要性，增加豎向斜撐作為豎向荷載下的第二道防線，如圖9所示。整體懸挑形式采用工字型懸挑梁+鋼骨內(nèi)伸段+斜撐桿組合形式。豎向斜撐增大了豎向剛度，有效減少了豎向地震作用下的端部位移；同時，減少了單一懸挑結(jié)構(gòu)的豎向風(fēng)振效應(yīng)，有利于抗風(fēng)。

圖8 連廊結(jié)構(gòu)立面圖

根據(jù)規(guī)范要求，主樓連廊懸挑7.0m，根據(jù)規(guī)范采用振型分解反應(yīng)譜法計算大跨、大懸挑結(jié)構(gòu)的豎向地震作用[3]。反應(yīng)譜采用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜曲線，豎向地震影響系數(shù)最大值取為水平地震影響系數(shù)最大值的65%，阻尼比取0.05，設(shè)計地震分組取第三組，采用3D3S進(jìn)行計算分析，豎向振型取30個。

為了斜撐能起到第二道防線的作用，計算過程中采用帶斜撐的鉸接模型與單懸挑的剛接模型包絡(luò)設(shè)計，兩種模型下內(nèi)力與位移均滿足規(guī)范要求。表2為連廊構(gòu)件表。

表2 連廊鋼構(gòu)件表

3.2 抗震縫處理方式

懸挑連廊中部的抗震縫的設(shè)置需保證各懸挑部分能自由變形，且連廊鋼結(jié)構(gòu)不發(fā)生碰撞損壞。連廊最高點為85m，按規(guī)范計算縫寬為250mm[3]。本文計算出最高點處(17F)不同地震工況下兩主體的相對位移，如表3所示。

表3 不同地震作用下各主體的相對合位移

由表3可以看出，取縫寬為250mm，能保證小震及中震作用下結(jié)構(gòu)不發(fā)生碰撞；同時利用建筑樓層的高差，在高度上錯開懸挑，采用附屬構(gòu)件(如臺階)解決高差，如圖8所示，大震作用下僅局部臺階發(fā)生碰撞損壞，保證鋼連廊主體結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞。地面變形縫可選用能夠適應(yīng)較大縫寬的樓面嵌平型成品蓋縫板。

4 懸挑端連接節(jié)點分析

4.1 懸挑剛接節(jié)點形式

該工程懸挑剛接節(jié)點，采用型鋼混凝土柱結(jié)合內(nèi)伸鋼骨的形式，便于剛接節(jié)點彎矩的有效傳遞。本文采用有限元分析的方法對該節(jié)點的內(nèi)力分布展開探討。圖9為型鋼混凝土柱結(jié)合內(nèi)伸鋼骨的基本形式。

圖9 型鋼混凝土柱結(jié)合內(nèi)伸鋼骨節(jié)點

采用梁端力加載的方式，以豎向恒活與風(fēng)荷載組合下的內(nèi)力作為加載組合，如表4所示。模型約束條件為鋼梁前端部自由，其余采用固定約束[4]。

表4 鋼梁根部內(nèi)力組合

混凝土為C30混凝土，鋼材采用Q345B?；炷帘緲?gòu)模型采用總應(yīng)變裂縫模型；受拉本構(gòu)關(guān)系采用Hordijk模型，抗拉強度2.01MPa；無約束混凝土受壓本構(gòu)關(guān)系采用Thorenfeldt模型，抗壓強度20.1MPa。鋼材采用Von-Mises雙線型本構(gòu)模型，初始屈服強度345MPa[5]。

4.2 應(yīng)力應(yīng)變分布情況

圖10為型鋼的Mises應(yīng)力分布圖，可以看出，在鋼梁與混凝土柱的交接處出現(xiàn)了最大應(yīng)力為188MPa，未達(dá)到鋼材的屈服強度；型鋼柱中應(yīng)力不大，較大應(yīng)力出現(xiàn)在與鋼梁翼緣相交的加勁肋，為50MPa；內(nèi)伸段鋼骨應(yīng)力很小，約為10MPa左右。

圖10 型鋼的Mises應(yīng)力分布圖

圖11為鋼梁交接處混凝土的主應(yīng)力分布圖，可以看到交接邊緣由于應(yīng)力集中，主拉應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強度，主壓應(yīng)力最大為16MPa。

圖11 混凝土主拉應(yīng)力(左)、主壓應(yīng)力(右)圖

為了分析混凝土達(dá)到極限拉應(yīng)變的區(qū)域，提取極限拉應(yīng)變等值面圖，取混凝土極限拉應(yīng)變?yōu)?.0001，如圖12所示。可以看出，從柱中型鋼翼緣到混凝土外表面的區(qū)域，靠近鋼梁上翼緣處混凝土大部分達(dá)到了極限拉應(yīng)變，此區(qū)域混凝土出現(xiàn)開裂；同時，該處柱型鋼加勁肋出現(xiàn)較大應(yīng)力，以傳遞鋼梁端部的彎矩及剪力。

圖12 混凝土極限拉應(yīng)變等值面圖

綜之，分析結(jié)果可以看出，采用型鋼混凝土柱結(jié)合內(nèi)伸鋼骨的節(jié)點形式，在荷載作用下，鋼材未出現(xiàn)屈服，混凝土未發(fā)生壓碎破壞，能滿足該組合工況下的受力要求；同時，在鋼梁與柱交接處混凝土開裂的情況下，該形式節(jié)點能有效保證鋼梁端部彎矩及剪力傳遞。

5 結(jié)論

(1)通過數(shù)值風(fēng)洞的模擬，得到雙塔高層狹縫處連廊的風(fēng)壓狹縫影響系數(shù)為2.5，影響面為狹縫處背風(fēng)面及上下表面，同時，狹縫對迎風(fēng)面風(fēng)壓無影響。此影響系數(shù)值可作為類似工程初步設(shè)計的參考值，并應(yīng)考慮同時進(jìn)行風(fēng)洞試驗，以得到更詳細(xì)準(zhǔn)確的設(shè)計依據(jù)。

(2)連廊兩端建筑體型、自振周期及振型差異較大時，宜采用懸挑形式連廊，減少結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。懸挑形式采用工字型懸挑梁+鋼骨內(nèi)伸段+斜撐桿組合形式，能有效減少結(jié)構(gòu)在狹縫處風(fēng)荷載下產(chǎn)生的風(fēng)振響應(yīng)及豎向地震下的損傷。

(3)抗震縫的取值滿足建筑抗震設(shè)計規(guī)范的要求。通過計算不同地震工況下兩主體的相對位移，同時采取抗震縫兩側(cè)形成高低差的處理方式，驗證了該縫寬取值能滿足小震、中震作用下不碰撞，大震作用時僅次要構(gòu)件發(fā)生碰撞破壞的要求。

(4)懸挑剛接節(jié)點采用型鋼混凝土柱結(jié)合內(nèi)伸鋼骨的形式，能滿足組合工況下的受力要求。同時，在鋼梁與柱交接處混凝土開裂的情況下，該形式的節(jié)點能有效地保證鋼梁端部彎矩及剪力的傳遞。

[1] 張敏,樓文娟,何鴿俊,等. 群體高層建筑風(fēng)荷載干擾效應(yīng)的數(shù)值研究[J]. 工程力學(xué),2008(1):179-185.

[2] 傅小堅. 雙塔高層建筑風(fēng)荷載干擾效應(yīng)的數(shù)值模擬研究[D].杭州：浙江大學(xué),2007.

[3] GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016版)[S]. 2016.

[4] 崔田田. 鋼梁-型鋼混凝土柱節(jié)點的力學(xué)性能研究及有限元分析[D].北京：中國石油大學(xué),2011.

[5] 藍(lán)聲寧. 鋼梁-型鋼混凝土柱節(jié)點受力性能的有限元分析[D].西安：西安科技大學(xué),2004.