1、大跨度复杂钢结构连廊的设计体会程伟，谢晓峰(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都610041)摘要：针对具体的连廊结构，简单列出了钢结构设计的几个重要方面，包括结构体系、结构构件、连接节点等的具体设计。通过对本工程的设计研究，总结出钢结构的设计应遵循结构体系合理，构件选用适当，以及连接节点可靠的设计思路，为其他类似工程提供了参考。关键词：大跨；钢结构；连廊；设计体会中图分类号：TU391 文献标识码：A文章编号：16724011(2012)060050一04The Design Experience of Large Span SteelStructural GalleryCHENG We
2、i，XIE Xiaofeng(China Southwest Architectural Design and Research InstituteCompany Limited，Chengdu 610041，China)Abstract：Based on specific gallery structure，several im-portant aspects of structural design are listed as foHows：struc-ture system，structure component，connecting node and SO OilAccording t
3、O this reserch，we Call know that the design of steelstructure should have reasonable structural system，appropriatecomponent and reliable connecting nodeThis research providereference for other similar englneeringsKey words：large span；steel structme；gallery；design0前言连廊结构近年来随着多高层建筑的快速发展如雨后春笋般地出现。在各种商业
4、建筑、体育建筑、交通建筑中常可以看到连廊结构。这种结构在满足使用功能的同时，既可以成为一道独有的风景线，又可以和周围的建筑完美呼应，因此它得到建筑师的青睐。笔者在设计中就遇到一个典型的连廊结构，下面简单介绍此连廊结构的设计。l工程简介此连廊属于美年广场的一部分，项目位于成都市南部新区，高新区天府大道以西，距三环路天府立交约8 km，为一座全钢结构的连廊。连廊一端与D栋塔楼相连，一端与商业村E1栋相连。平面形状为一个类似“L的形状，总长约为45 m，宽为4 m，高约15 m。连廊共三层，其中一层为架空层，二层与三层为人行走道。由于使用功能与建筑美观需要，连廊结构形式较为复杂。连廊的二层平面如图l
5、所示。计算软件：本工程在平面上和立面上均不是很规则，因此采用同济大学3D3S软件中空间建模板块进行计算和设计。2结构体系与典型构件的选用图1连廊二层平面图连廊在靠近D栋塔楼一侧有一个非直角的转角，在靠近D栋一侧，连廊跨度比较小，只有10 m左右。而在靠近商业村一侧，连廊跨度相对较大接近35 m。根据美国建筑师的要求，此连廊在中间转折处，要做一个沿柱向上放大的筒状，在底部收在了一个较小的范围内。因此，在转角处需要设两个柱子，一个柱子在外侧直立向上，另一个柱子斜向上只跨越一层，第二层的柱子则由粱抬。连廊两端作者简介：程伟(1986一)，男，助理工程师。通过支座连接在两侧主楼上。经过综合考虑，此连廊
6、结构采用由两榀桁架组成的钢桁架结构体系。桁架结构主要包括柱、主梁(上下弦杆)、斜腹杆等。为了建筑美观，柱子采用圆管柱。根据建筑要求，圆管柱的直径要尽量取得小些，因此经过试算，圆管柱采用外径为500 mm，壁厚为20 mm的热轧元缝钢管。为了能满足大跨度刚度稳定的要求，又能便于节点连接，二层和顶层主梁采用箱形截面600400(mm)，腹板与翼缘分别为10mm和t6 mm厚；中间层采用焊接工字形截面，尺寸为万方数据600ram x250(mill)腹板与翼缘分别为10 mm和16 mm厚。桁架的腹杆为了建筑满足建筑美观。采用了外径为299mm，壁厚为12 mm的圆钢管。两榀桁架分别图2和图3所示。
7、150lo虽 1卢I l i舟l ；必l 1 l户l l卢毫 鎏鏖! 逛罟巢XCIA=。粱XCI 烂固11250 歌5Jm2 h,懑l 190A3 1900 l 1嘲蕊丽爵l殳 产V旦 ，9涮小“。盹m。，。，。V，GZ3G翟 国5 75I)。怎；- ip 一 一 一 一 乜EY700#3100 I 3100 3100 2855 11622I 3100 3100 l 31(30 3100 3100 l 3lI 3loo l 3ll 3l3l )5q1900l 621m 59SS 7822 7，En 77KN 1 010fl 951一l 350I!竺竺I !邕 I 墼! kd图2桁架1(凹侧)立
8、面图15010拿 l户l !户I GLI 归I !一8 逛囊 褥XCI霉毒终 )甄t1250”32Il磊融11晰l l咖I 1k口孙I 2123 m2bsdl谛dl119n011咖11删绗帅Il1111嗣沁d190011 9()【)11900Ilx矗0011900 h若 户V 户W彩，盟CZ3一5 750LGZY700| t腔之座， 一 一 一 一 一 乜1900 3100 3100 3100 4055。 2822 3100 31|)11 3100 3100 3100 3100 3100 310(I 3100 31001900 6j 彳155 9ff22 l 7750 7750 9300 ，5
9、C塑j巡I!墅i 塑墅 l 塑! I；图4桁架转折处立面圈图3桁架2(凸侧)立面图由于为了满足美国建筑师的要求，连廊中间的柱子没有按常规的做法。设置于转折处的两侧，而是做斜柱这种形式。两榀桁架在各自平面内均具有很大的刚度，为了使钢桁架在平面外也具有较强的刚度，在两榀桁架之间加了一些横向斜腹杆，同时在一层的两钢管柱之间加上一些斜撑，如图4所示。3典型连接节点的设计钢结构节点设计应该根据结构的重要性与受力特征，荷载条件以及工作环境等因素，选用恰当的节点连接形式。圆钢管柱与主梁的连接：根据钢结构设计规范及钢结构节点相关图集，框架梁与柱的连接，通常采用柱贯通的形式。在这种柱贯通形式中，要在梁翼缘处柱内
10、设置水平加劲板承受梁翼缘传来的水平力，水平加劲板对提高节点的刚度和承载能力有着重要的作用。因此，在H形、十字形以及箱形框架柱与框架梁的节点连接中，经常见到在柱内梁翼缘位置处设置水平加劲板，以传递梁翼缘传来的水平力。然而，在圆管框架柱与框架梁的节点中，却不容易在柱内设置水平加劲隔板。因此，只能通过在拄外设置水平加劲隔板(外环板)的形式来传递梁翼缘传来的水平力。外环板的形状可以有多种，有菱形、圆形以及平滑过渡的圆弧形等，然而不同形状的外环板，对节点的受力性能有不同的影响。根据相关文献表明：菱形环板和圆形环板在梁翼缘与外环板连接处存在较大的应力集中现象。其中，圆形环板节点应力集中最为明显，菱形环板节
11、点次之，而弧形外环板节点应力集中明显缓解。这种设置外环板的形式，使得主梁与柱的连接没有在受力最大的位置，这样使万方数据主梁上的塑性铰外移，能更好地实现“强柱弱梁强节点”这一目标。根据这一研究成果，此钢连廊的圆钢管柱与主梁的连接节点采用平滑过渡的弧形外环板，如图5所示。弧形外环板的宽度根据类似工程的有限元分析，取为05倍的梁翼缘宽度。图5框皋节点外环板示意图为了满足建筑造型更加美观，桁架之间的腹杆与上下弦杆相连的部位采用十字形截面。成都高新科技商务广场C座也采用了这种节点。但是由于圆管形截面和十字形截面之间力传递不连续，就会出现应力集中，这将会降低桁架和斜腹杆的有效承载力。为了最大程度地减小这种
12、应力集中，设计参照成都高新科技商务广场C座的研究成果。就是两截面相交处出现的最大应力值。随插入深度H的增加丽减小，当深度达到约500 miIl以后，应力减小的速度就变缓慢了。因此，十字板一端插入圆管内的深度取为500mill。在两斜腹杆相交处，十字板采用公切圆弧连接。节点连接如图6所示。4连廊支座的设计主体结构之间的连廊根据其与主楼的连接方式可以分为强连接和弱连接两种。由于连廊结构采用钢结构，刚度与采用钢篾混凝土的主楼之间有明显差异，因此连廊与主体结构之间需要采用弱连接。与连廊相连的两主楼，一栋(D栋)为超限高层结构，一栋(E1栋)为多层纯框架结构，它们的刚度有明显差别，两者的周期差别很大。在
13、地震作用下，两个主楼的相对运动关系非常复杂。在罕遇地震作用下，连廊与主楼既可能相向运动而发生碰撞，致使主体结构或连廊结构受损；也有可能发生相反方向运动或横向运动，而使连廊与支座或支座与主楼脱离。因此，在考虑连廊支座的设计时，支座应该只能发生有限的位移，既避免连廊与主楼相撞，又要在地震中吸收一定的地震力。综合以上考虑，本连廊支座采用如图7所示的设计。其中橡胶支座的参数选取，根据计算结果，满足结构在地震作用时的最不利内力组合。支承连廊支座的牛腿，是重要的结构构件，为了不让牛腿在罕遇地震作用下发生破坏，应该设计得更强。图6桁架腹杆与主粱连接节最图上j唑理韭J业4图7连廊支座布置和支座牛腿图5体会与展
14、望本文通过对具体工程的设计，总结了简单及复杂连廊结构设计思路，为其他类似工程的设计提供了参考。随着未来连廊建筑形式的多样化，对连廊结构的要求也越来越(下转第54页)万方数据400300目200誊10：晏一100200300300时间002s图3 lOs的ElCentro波加速度时程曲线3阻尼取值阻尼用来描述结构在振动过程中能量的耗散方式。ANSYS程序可以指定以下五种形式的阻尼：瑞利阻尼、和材料相关的阻尼、恒定阻尼比、振型阻尼和单元阻尼，本工程采用了瑞利阻尼。C=dM+口K式中，阻尼常数Ot和口分别称为结构的质量阻尼和刚度阻尼，是根据结构的主振型周期或圆频率和阻尼比求出的。a：6鬻Oi 卢=老
15、十， 甜i十I对于混凝土结构，阻尼比取005，另外根据模态分析的结果可得到结构主振型周期值，由此算出结构的瑞利阻尼常数tit和口分别为0066 7，0030 4。4弹塑性时程分析结果经计算，三种方案的顶点位移时程曲线如图4所示，三种方案的楼层中心位移、层问相对位移如图5所示。从结构侧移图可以看出，其变形曲线总体成现弯剪型。同时，由层间侧移图可以看出，层间侧移的分布与巨型梁布置关系十分密切。在巨型梁所在层，层间侧移曲线出现极小值，在结构中部，层间侧移曲线出现极大值。显然，巨型框架结构的抗侧剐度是由巨型梁的布置所决定的，而且沿层高很不均匀。方案1的顶点最大侧移为023 m，最大层间侧移为0007
16、rtl；方案2的顶点侧移为019 m，最大层间侧移为00065 m；方案3的顶点最大侧移为018 m，最大层问侧移为0006 m。很明显，方案2和方案3的最大楼层位移和最大层间位移都比方案1小，最大楼层位移降幅达20，最大层间侧移降幅达15，具有明显的减震效果。(上接第52页)多，因此在未来的连廊以及空间钢结构科研设计中，应在以下两个方面加以关注。(1)钢结构具有强度高、延性好、自重小、加工方便等优点，也存在节点多，现场施焊难度大等缺点。因此为了充分利用钢结构的优点，便于大规模推广钢结构，减少现场施工难度，应加快钢结构材料以及相关成品如圆钢管、方钢管、相贯节点以及橡胶支座等构件的研发工作。(2
17、)随着钢结构得到广泛地应用，结构形式势必会越E谯亚i；0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1011ME(c)方案3图4三种方案的顶点位移时程曲线位移(m) 位移(m)(a)三种方案的搂层中心位移 (b)-种方案的层问相对位移圉5 三种方案的棱层中心位移和层闻相对位移5结论与展望结果表明，次框架支撑结构比次框架无支撑的巨型结构更具优越性，结构顶点的对侧移降低20，结构最大层间位移降低15。通过对结构的弹塑性破环形式和机理的分析，可知支撑构件的这种行为提高了次结构的相对刚度，使得次框架结构可以在其支撑屈服之后的更早时间屈服，保证次结构的屈服先于主结构。当遭遇罕遇地震时，次结构的部分构件会逐渐进
18、人屈服状态，若次结构具有足够的延性，则对整个结构地震反应的消减十分有利，从而提高了整个结构抗御强烈地震的能力。 ID：7843参考文献：1朱杰江，吕西林。邹昀上海环球金融中心模型结构振动台试验与理论分析的对比研究J】土木工程学报，20052Bazant Z P周氏译钢筋混凝土有限元分析M南京：河海大学出版社19883 ANSYS IncANSYS Theory Referencef M1ANSYS Ine2000。4周岑，孙利民钢筋混凝土结构弹塑性分析在ANSYS中的实现lM5王亚勇，等建筑结构时程分析法输入地震波的研究J建筑结构学报1991，12(2)6 盂焕陵，刘杨，沈蒲生巨型框架中主、次
19、框架的抗侧剐度比的限值研究J铁道科学与工程学报，2008，5(2)，7 张沟安，张建霖，姜节胜子结构刚度对巨型框架减振结构体系的动态特性影响J西北工大学报，2004，(2)来越复杂，因此，有必要利用现代的计算机技术，开发出更方便建模、更能准确计算结构在水平向以及竖向地震作用下性能的设计软件。 ID：7722参考文献：1范重，杨苏，栾海强空间结构节点设计研究进展与实践J建筑结构学报，2011。32(12)2 冯远，杨曦，何建波成都高新科技商务广场c座钢结构设计J建筑结构，2004，(11)上M他O咀吣uM也一一一一笛2JOo坫也黔一一一万方数据大跨度复杂钢结构连廊的设计体会作者： 程伟， 谢晓峰， CHENG Wei， XIE Xiaofeng作者单位： 中国建筑西南设计研究院有限公司,四川成都,610041刊名： 四川建材英文刊名： Sichuan Building Materials年，卷(期)： 2012,38(6)参考文献(2条)1.范重.杨苏.栾海强 空间结构节点设计研究进展与实践期刊论文-建筑结构学报 2011(12)2.冯远.杨曦.何建波 成都高新科技商务广场C座钢结构设计期刊论文-建筑结构 2004(11)本文链接：http:/
