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摘要：建筑行业技术的发展带来多样化、创新化的建筑形式，在优化建筑使用功能的基础上，赋予建筑体艺术性的特点，其中高层多塔建筑颇具代表。本文对高层建筑大跨度钢结构连廊设计进行探讨，针对施工难度较高的大跨度钢结构连廊，给出具体的建设方案，总结设计要点，不断完善钢结构连梁建筑形式技术理论体系。
关键词：高层建筑；大跨度；钢结构连廊
引言：钢结构连廊多被用在多塔式建筑的结构连接中，用于连通两个建筑主体的内部空间，并起到提高建筑美观性的作用。大跨度钢结构连廊承受的荷载更为复杂，对其稳定性、安全性的要求也更高。保证设计方案的科学性能够从根源上提升高层建筑大跨度钢结构连廊构件的质量，因此需要对相关设计经验进行总结。
1案例背景简介
某建筑为大型办公综合体，设计建筑面积395000m2，主体建筑层高16，为框架剪力墙结构。其中两栋附属建筑层高14，在9层采用钢结构连廊进行连接。连廊设计跨度38m，宽度为8.5m，行业中，该尺寸钢结构连廊已达到大跨度的要求。工程于2018年底竣工，质量达标，施工过程进展顺利，现对大跨度钢结构连廊的设计经验进行总结。
2高层建筑大跨度钢结构连廊设计
2.1连廊选型设计
大跨度钢结构连廊的特点是中间跨度大、连廊的宽度相对有限，一般设置在高层建筑结构偏上位置。为保证连廊的质量和建筑美观性，通常使用钢桁架作为连廊的主体，采用封闭式手法，并使用两片钢桁架。最常见的钢桁架形式包括弦杆、竖腹杆、斜腹杆和弦杆、竖腹杆和钢拉杆两种[1]。其中，第一种形式的钢桁架结构简单，要求以45°的角度架设斜腹杆。第二种形式的钢桁架主要用在建筑屋面为幕墙结构的情况，例如金属屋面的建筑体。可满足幕墙装饰的基本要求，竖腹杆的间距需根据幕墙的宽度进行选择。钢桁架中的弦杆一般为“H”型截面，腹杆则可为“H”型或箱型，本工程采用的便是弦杆加竖腹杆加斜腹杆的结构。
2.2参数设计
本工程大跨度钢结构连廊的跨度和宽度分别为38m和8.5m，高度为4.6m，设计标高56.7m。如表1所示，为该大跨度钢结构连廊的荷载情况及参数设计。该连廊的屋面钢梁和楼面钢梁采用横截面为H型的热轧钢。采用专业计算软件，计算结构的最大挠度为19.7mm，满足＜90mm的标准。计算得出全部构件的应力比均未超过1.0，强度也符合相关要求。
表 1 本工程钢结构连廊参数设计
高层建筑大跨度钢结构连廊设计主要需关注的参数为风荷载，当受到风载的作用时，钢结构连廊本身易出现扭转效应。因此在设计过程中，需要将结构可能受到的最大风载带来的扭转效应的程度考虑其中。钢结构本身出现的扭转形变会导致由其连接的两建筑主体之间出现一定的不对称性，即引起两个建筑体之间的相对位移。利用MIDAS GEN计算结构风载，设放大倍数为1.1，在Y+和Z-两个方向同时施加风载，迎面风载体形系数设为+0.8、背面为-0.5。在风荷载对钢连廊结构影响最严重的情况下，受到的最大应力为402MPa，满足屈强度要求。
钢桁架结构连廊的支座一般采用混合形式进行设置，如固定支座、单向滑动支座和双向滑动支座等，将支座连接固定在主体结构上。通过大量施工经验总结发现，球形支座的强度和性能最优，其荷载能力更高、允许移动的范围更灵活，在转向性上也比其他形式的支座更好。在施工过程中，钢结构连廊与两端建筑屋面的连接最为关键，关系到整个结构能否安全、稳定发挥作用。要求根据工程的具体属性和连廊的参数进行选择，常用连接方式有刚性、柔性、铰接、滑动等。不同的连接方式涉及到的施工步骤大不相同，需要结合具体参数进行计算。
2.3节点设计
当钢结构连廊受到风载作用、地震影响或环境温度变化时，结构两端会出现不同程度的水平位移。为保证这种位移不影响两个建筑主体的独立关系，将两个水平位移区别开来，通常会选用铰接与滑动连接相结合的方式连接连廊和建筑主体。在该种连接方式之下，两端的支座均能提供水平及竖直方向上的限制作用，其中，滑动连接端的支座承担沿着连廊方向上的位移作用，其最大作用强度根据建筑遭遇罕遇地震时产生的弹塑性进行计算。本工程中计算得出的最大弹塑性下的相对位移为147mm，因此依照以下方案设计钢结构连廊滑动连接端的支座：设计最大竖向支撑为1600kN，沿连廊方向位移为160mm，最大转向位移为0.02rad。为确保建筑抗震性能达到国家相关标准的要求，在连廊两端节点处设置宽度为120mm的抗震缝。在设计大跨度钢结构连廊的节点时，应注意加大牛腿、柱等主要支撑构件的强度，以保证结构能更好承受罕遇地震的影响。例如，使用钢筋混凝土结构的连廊柱，可有效提升连廊的荷载性能。另外，加强支座与支撑柱的连接强度、合理协调支撑柱的抗震性能、提升柱结构中混凝土的强度，也有利于大跨度钢结构连廊可靠性的提升。
2.4屋面设计
屋面对于钢桁架结构的大跨度连廊并不产生较明显的影响。位于钢桁架之下的屋盖受平面拉力的作用，这种拉力由楼盖梁和楼板一同承受。位于钢桁架之上的楼盖主要受压力影响，可采用组合梁的方式来抵充这种作用，根据实际情况降低梁截面的大小。
2.5舒适度设计
高层建筑大跨度钢结构连廊的柔性较高，在设计时还应将行人通行产生的荷载考虑其中，以保证结构可提供更高的舒适度[2]。连廊舒适度设计主要用到的参数为自振频率和加速度的相对峰值，本工程使用的分析软件为MIDAS GEN和YJK，得出两组振频数据进行对比，结果大致相同，且均满足规范要求。如表2所示，为两种软件计算出的行人通行荷载振频。
表 2 两种软件计算出的行人通行荷载振频
一般情况下，行人通行产生荷载的振频在1.7～2.5Hz，为在此条件下，使结构产生最高的动力响应，本工程将行人通行荷载频率设计为第一振频的N倍。取第一振频5.76Hz，行人振频为2.0Hz。行人通行最舒适的振频范围在4～10Hz，本设计达到行人通行舒适度的要求。分别计算在单步行走和连续行走两种模式下，三种不同情况下的加速度相对峰值。本工程选择的三种情况分别为单人通行、多人横向并排通行和多人纵向排列通行，计算得出最大加速度峰值为0.041g，国家要求标准值为0.15g，因此该设计充分符合标准要求，舒适度合格。本工程的一个特点在于，将钢结构连廊的楼板厚度增加至165mm，满足高层建筑混凝土结构设计技术要求的150mm，可为行人提供更舒适的通行体验。
结论：本文对高层建筑大跨度钢结构连廊的设计要点进行分析，近年来，大跨度钢结构连廊的使用频率不断提高，东方之门、杭州市民大厦、光谷之星等大型钢结构连廊项目的竣工使用，我国钢结构连廊的设计水平不断提高。随着相关实践工作的进一步推进，将有更多大跨度钢结构连廊式建筑产品被生产，积累更多优秀设计理论。
参考文献
[1]王志刚.大跨度复杂钢结构连廊设计[J].建筑设计管理，2017，34（08）：72-75.
[2]陈荣喜，单红波，张志伟，等.某高层钢结构连廊施工技术[J].施工技术，2017，46（07）：50-52
论文作者:余桂梅
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年10期
论文发表时间:2019/8/23
标签：钢结构论文; 支座论文; 建筑论文; 荷载论文; 大跨度论文; 桁架论文; 结构论文; 《建筑学研究前沿》2019年10期论文;