大跨钢结构桁架计算分析

张云华

[摘要]  本工程在两个塔楼之间设置钢桁架作为建筑立面效果的呈现，钢桁架跨度46.2m~50.5m、桁架高度3.4m，位于距地面42.3m。为减少结构间的相互影响，采用一端铰接、一端滑动的弱连接方式。使用3D3S软件建立钢桁架独立模型，分析钢桁架的内力及变形；并用YJK软件分析连接两个塔楼结构在罕遇地震下的整体动力响应，保证连接部位及桁架本身的抗震性能及支座滑移量满足规范要求。

[关键词] 钢桁架，弱连接，抗震性能，支座滑移量。

Calculation and analysis of long-span steel structure trusses

[ Abstract ] In this project, a steel truss is set between the two towers as a presentation of the façade effect of the building, with a span of 46.2m~50.5m and a truss height of 3.4m, located at 42.3m from the ground. In order to reduce the mutual influence between structures, a weak connection mode of hinging at one end and sliding at one end is adopted. The independent model of the steel truss was established by 3D3S software, the internal force and deformation of the steel truss were analyzed, and the overall dynamic response of the two towers under rare earthquakes was analyzed by YJK software, so as to ensure that the seismic performance of the connection and the truss itself and the slip amount of the support meet the requirements of the code.

1、工程概述

本项目位于安徽省宿州市萧县。总用地面积为110431.06平方米，总建筑面积165561.05平方米，本项目按照三级综合医院建设标准，设置床位1000张。地上包含医疗综合楼、感染楼、体检中心、科研办公楼及其它零星工程。其中医疗综合楼地下一层，地上设缝分为住院楼A/B/C/D、门诊医技楼A/B/C、妇产中心楼。住院楼A/C楼、住院楼B/D楼之间的屋顶采用钢结构桁架作为立面的装饰效果构架。本文以住院楼B/D楼屋顶之间的钢桁架连廊为例分析钢桁架的受力性能，如图1-1、1-2所示，主体结构住院楼B/D楼采用钢筋混凝土框架-剪力墙结构，结构高度41.7米，地上9层，地下1层，层高为5.0米、4.2米。钢桁架跨度46.2m~50.5m，桁架高度3.4m。

 

图1-1 效果图1

图1-2 效果图2

2、钢桁架结构布置

结合建筑的立面效果，连接两个塔楼的屋顶采用钢桁架结构，该桁架结构不作为建筑水平交通使用，仅在桁架前后、上下面外包铝板，达到建筑装饰立面效果。桁架跨度为46.2m~50.5m，两端分别悬挑3.2m、3.65m，宽度为8.1m。一般情况下，钢连廊与两侧主体结构的连接形式分为两种，一种为强连接，即两端采用铰接支座或者两端采用刚接支座；另一种为弱连接，即一端采用铰接支座，另一端采用滑动支座，或两端均采用滑动支座。 由于两侧主体结构的影响，桁架连接处的受力复杂，选择合适的连接形式尤其重要，是钢连廊桁架及两侧主体结构安全性的重要保证。 因本项目钢连廊跨度较大，其刚度相对主体结构比较弱，不能完全协调两侧主体结构的变形，故本项目桁架的连接形式采用弱连接方式，即一端采用铰接支座另一端采用滑动支座的形式，桁架支座直接设置在塔楼屋面结构柱上。该连接方式可以有效减小扭转效应，并消弱两个塔楼的偶联作用、刚度差异对整体结构的不利影响。钢桁架的上弦杆截面为圆钢管325x20.0，下弦杆截面为圆钢管299x18.0，斜腹杆及竖腹杆采用圆钢管180x6.0、219x12.0、245x14.0等截面，材质为Q355B。钢桁架的结构布置形式详见图2-1。

图2-1 桁架布置图

3、钢桁架计算分析

采用3D3S软件对钢桁架进行单独计算分析，计算简图如图3-1。

图3-1 3D3S钢桁架计算模型                  

钢桁架单独计算模型中，采用3D3S软件自动计算结构杆件的自重荷载，并考虑桁架外包铝板的重量，桁架的六个外表面附加恒载0.5KN/m2，桁架顶面活载按不上人屋面取0.5KN/m2，雪荷载取0.45KN/m2（100年一遇）。本地区抗震设防烈度为7度，设计地震基本加速度0.10g，设计地震分组为第三组，建筑场地类别为Ⅲ类，多遇地震场地特征周期为0.65s。抗震设防类别为重点设防类，多遇地震作用按0.15g计算，罕遇地震作用按0.10g进行动力弹塑性时程分析。50年一遇基本风压为0.40kN/m2，因钢桁架属于对风荷载比较敏感的结构，风压适当提高，按100年一遇的风压进行风荷载的计算，风荷载体形系数取1.4。

  

     图3-2 桁架杆件应力比                  图3-3 标准组合作用下挠度

从计算结果看，桁架在最不利荷载工况组合作用下，最大应力比为0.844小于1.0，应力比较大的位置出现在桁架支座附近及跨中下弦杆，其它地方的应力比均较小，应力比值均在0.5以内；在标准组合作用下，主桁架的最大变形量为98.672mm，挠度值为1/512，最大挠度控制在规范限值1/400以内，实际施工过程中，按2/1000的跨度进行适当起拱。综上可知，该钢桁架在小震弹性设计阶段，构件承载力及结构变形均满足规范的要求。

4、钢桁架大震弹塑性时程计算分析

为保证连廊及两侧连接的塔楼框架柱在大震下不屈服，采用YJK软件对桁架与塔楼组成的整体结构进行大震弹塑性计算分析。弹塑性计算模型中，选用两组天然地震波及一组人工地震波计算，混凝土结构阻尼比取0.07，钢结构阻尼比取0.05，罕遇地震场地特征周期为0.70s。

图4-1 YJK整体计算模型                 图4-2 框架柱受压损伤图 

   从框架柱受压损伤图可以看出，大震时框架柱基本完好，住院D楼处的桁架支座柱及周边的个别柱出现了破坏，但未出现倒塌破坏。因此采取以下加强措施避免这些柱的破坏并重新计算复核满足大震不屈服的性能目标：1）框架柱截面由原来的800x800增大至1000x1000；2）适当提高框架柱的配筋率至3%。3）与支座相连的框架柱抗震等级提高一级。

图4-3 钢桁架受压损伤图           图4-4 钢桁架受拉损伤图

从钢桁架的受压受拉损伤图可以看出，罕遇地震作用下，钢桁架基本完好无损，并未出现中度以上的损坏，可以满足大震不屈服的性能目标。

5、钢桁架支座位移分析

钢桁架与主体结构采用一端铰接、另一端滑动的连接方式，支座采用成品盆式橡胶支座与屋顶混凝土柱通过预埋件相连。支座的滑移量主要由地震作用下钢桁架与两侧塔楼结构的相对位移产生。《高层建筑混凝土结构技术规程》10.5.4条规定：当连接体结构与主体结构采用滑动连接时，支座滑移量应能满足两个方向在罕遇地震作用下的位移要求。采用YJK进行大震弹塑性计算分析，分析整体结构的弹塑性变形及支座位置处主体结构的变形量，从而得到大震下支座的滑移量，可以充分避免罕遇地震下支座滑移量不足而导致连廊的塌落。以下选取其中一个支座处的框架柱顶节点分析支座的滑移量。

图5-1 滑动支座处绝对位移时程响应曲线

由图5-1可知，罕遇地震作用下，整体模型计算分析中，单个支座位置的柱顶X向最大位移为97.45mm，Y向最大位移为107.5mm。根据支座处结构的位移量，选用的成品盆式橡胶支座参数如下表所示，从而保证大震下支座不致塌落。

支座竖向抗压承载力（KN）	支座竖向抗拉承载力（KN）	支座双向水平剪力（KN）	支座水平刚度（KN/mm）	支座设计滑移量（mm）
1200	200	200	5	±150

5. 结论

本文以实际工程实例重点介绍了钢桁架设计的关键部位。分析了钢桁架本身的受力状态，钢桁架与两侧塔楼结构的互相影响。得出以下结论：

（1）采用连廊结构时，建筑方案阶段就需要考虑两侧塔楼的协调性，连廊两侧的建筑体型宜采用相近的形式；结构布置时，尽量采用相同的结构体系、相近的结构平面布置方案，这样可使连廊两侧的结构具有相近的刚度，并充分考虑桁架连廊两侧主体结构的周期、动力特性的不利影响，采取弱连接方式。本项目采用盆式橡胶支座，一端铰接、另一端滑动的支座连接形式。根据大震弹塑性分析计算结果，可知该方案比较好的解决了两侧结构的变形协调。

（2）采用3D3S软件单独计算分析钢桁架的内力及变形。结果表明钢桁架连廊的承载力及变形均满足规范的相关要求。

（3）采用动力弹塑性时程分析法分析桁架与两侧塔楼的互相影响。与桁架相连的主体结构框架柱需要采取相应的加强措施，使框架柱满足大震不屈服的性能目标。

（4）支座位移设计时，采用动力弹塑性时程分析法分析滑动支座处的节点位移，滑动支座预留足够的滑移空间，保证大震下钢桁架可以自由滑动，减弱两侧塔楼的互相影响，从而保证钢桁架连廊在罕遇地震下不致塌落。

参考文献

［1］高层建筑混凝土结构技术规程: JGJ 3—2010[S].北京: 中国建筑工业出版社, 2011.

［2］建筑抗震设计规范：GB50011—2010［S］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［3］钢结构设计标准：GB50017—2017［S］．北京:中国建筑工业出版社，2017．