营前站钢结构连廊结构设计研究

刘保材

(福州轨道交通设计院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

随着时代发展，大跨空间结构在建筑领域中得到大量运用，桁架结构体系在连廊中也是比较常见的结构形式[1]。常规桁架结构从外立面看比较美观，但是由于斜腹杆存在，严重影响连廊内部的视觉效果，空腹桁架在连廊中的运用引起建筑师们的注意。空腹桁架由于缺少斜腹杆传递剪力，要求竖向腹杆和水平弦杆必须采用刚接节点，利用弦杆和竖向腹杆的抗弯能力形成整体刚度及承载力。空腹桁架由于无斜腹杆存在，大大地简化了节点连接，施工方便；竖向腹杆可以结合幕墙门窗的门框竖杆进行布置，美化了建筑，但是竖向腹杆和弦杆必须采用完全刚接，对施工质量要求比较高。目前对空腹桁架钢结构连廊的文献比较少。本文针对连接福州地铁6号线营前站和附属用房的钢结构连廊结构设计进行探讨，通过对不同结构方案的内力和刚度分析，选择一种最优的空腹桁架结构布置方案，同时从连廊荷载组合、静力和动力计算、横风向风荷载计算及施工拼装等介绍了钢结构连廊设计过程及强调设计过程的重难点。

1 工况概况

图1 营前站鸟瞰图

营前站(图1)是福州市轨道交通6号线车站之一，车站纵向长118m，横向宽19.8m，车站下部为开敞式单跨框架结构。主体车站南侧通过单层封闭式钢结构连廊与附属设备楼相连，钢连廊为两跨连续空腹桁架结构，左右两品桁架中心间距6.9m(幕墙外表皮宽度为7.7m)，上下弦杆中心中心间距4.5m～5.4m(幕墙外表皮为6.7m)，跨度为23.3+23.15m，幕墙外表距离地面7.5m，两端架设在两栋主楼梁上，中间采用双柱双桩结构。连廊屋盖及侧面采用铝板装修，走道采用铺设花纹钢板加石材铺地装修，连廊支座采用带铅锌叠层橡胶支座。

2 结构设计标准及方案

2.1 设计标准

该结构为双跨连续钢结构连廊，具体设计参数如下：

(1)设计基准期为50年,结构设计使用年限为50年，安全等级为一级。

(2)建筑抗震设防类别为丙类,抗震设防烈度为7度,设计基本加速度为0.10g，所在场地设计地震分组为第三组,场地类别为Ⅲ类，抗震等级为四级。

(3)荷载取值

①恒荷载：幕墙荷载按1.0kN/m2，考虑后期两侧面增加广告牌预留2.0kN/m2；

走道(铺设钢板+50mm装修层)1.35kN/m2；

②活荷载：走道人行荷载按4.1kN/m2；

不上人屋面按0.5kN/m2；

走道吊挂荷载(供电线路、信号、动照、给排水管)按1.5 kN/m2；

③风荷载：基本风压值为0.8kN/m2；

地面粗糙度为B类；

体形系数：情况1：迎风面+0.8，背风面-0.7，顶面风吸-0.7；

情况2：迎风面+0.8，背风面-0.7，底面风吸-0.5；

温度荷载：降温-20°C，升温+30°C。

(4)构件：材料Q345B

上下弦杆：HW400×400×13×21；

腹杆：方管400×400×14×14。

2.2 方案比选

由于支座位置剪力比较大，跨中剪力比较小，为了分析竖向腹杆及斜腹杆对结构刚度及受力的影响，选取3个模型方案进行研究。方案1(图2)：全部采用竖向腹杆。方案2(图3)：方案1基础上取消中间两道竖向腹杆。方案3(图4)：方案1基础上在支座位置左右各增设一道斜拉腹杆。分析对比时采用单工况恒荷载20kN/m施加在下弦杆上，具体分析结果如表1所示。

图2 方案1立面图

图3 方案2立面图

图4 方案3立面图

方案跨中扰度(mm)①轴力(kN)②轴力(kN)③轴力(kN)②弯矩(kN·m)④弯矩(kN·m)120.620232730366355224.5205332271131333311.42913506126356

从表1中数据可知：

(1)跨中腹杆对整体刚度有一定影响，但是影响不是很大；而支座两侧增加斜腹杆对结构整体刚度影响比较大。

(2)从腹杆轴力对比，方案1和方案2轴力比较接近；从弦杆弯矩对比，由于方案2跨中减少了两根竖向腹杆，弦杆弯矩会比方案1大很多。

(3)方案3由于支座位置增设斜拉腹杆，因此①③轴力会增加，由于③左右均设置斜拉杆，因此弯矩增加较多；②相比方案1轴力也有一定增加，说明桁架效应比方案1更强；④位置由于方案3属于常规桁架，因此弯矩会比方案1小很多。

综上，该工程选用方案3作为连廊的结构体系。

3 结构计算分析与设计

3.1 计算程序与荷载组合

钢结构连廊支座采用带铅锌叠层橡胶抗震支座与主体结构采用脱开的方式，因此将连廊独立计算，支座按厂家提供成品支座屈服前及屈服后水平两向弹簧约束。钢结构连廊采用3D3S软件进行计算，并用sap2000复核受力，结果表明两个软件的内力计算很接近。

在荷载组合中，考虑了恒荷载、活荷载、风荷载、地震荷载和温度荷载的影响。由于该连廊位于车站和附属用房之间，考虑风速在该区域有可能产生加速效应，因此增设一个体型系数取向下风吸-0.5工况；由于恒荷载中有预留一部分后期使用，因此对向上风吸的组合中，对恒荷载做了适当折减；该连廊为两跨连续梁结构，因此活荷载应考虑不利布置的影响，软件中应分别输入进行计算和组合。

3.2 连廊静力计算

由于空腹桁架竖杆需要通过弯矩来协调上下弦杆形成整体桁架效果，因此所有杆件均采用梁单元计算；营前站所在地理位置风荷载比较大，结构需要一定的水平刚度来抵抗风荷载，连廊楼板采用铺设花纹钢板的简易做法，出于安全考虑，在水平方向设置圆管斜腹杆形成水平桁架。整体计算模型如图5所示。

图5 连廊结构整体计算模型

人群荷载作用下变形验算：根据《城市人行天桥与人行地道技术规范》等2.5.2条规定：人群荷载计算的最大竖向扰度限值L/800=23 300/800=29.125mm；在满布人群荷载作用下跨中的最大竖向位移为5.0mm，单跨人群荷载作用下跨中的最大竖向位移为5.5mm，满足限值要求。

恒活荷载标准组合作用下变形验算：根据《钢结构设计标准》附录B最大竖向扰度限值[νT]=L/400=23 300/400=58.25mm；在满布人群荷载作用下跨中的最大竖向位移为24.7mm，单跨人群荷载作用下跨中的最大竖向位移为25.5mm，满足限值要求；连廊一端支座是设置在车站主体的悬挑梁上，悬挑梁施加预应力之后，梁整体向上变形10mm，根据主体计算结果(含天桥荷载)悬挑梁端部的竖向变形为+8mm，因此使用阶段变形满足规范要求。

水平风荷载作用下水平变形验算：根据《钢结构设计标准》附录B最大水平变形限值按[νQ]=L/500=233 00/500=46.6mm；单工况风荷载作用下的水平最大变形为7mm(其中4mm由弹性支座引起，3mm由结构自身变形引起)，满足限值要求。

局部构件验算按《钢结构设计标准》执行均能满足要求。

3.3 连廊动力特性

采用3D3S分别对支座屈服前模型(支座水平刚度是屈服后的10～15倍，本文按10倍取值)及屈服后模型(屈服后支座水平刚度与普通叠层橡胶支座水平刚度比较接近)进行分析，选取前30个自振周期，计算结果显示振型比较密集，表2～表3给出主要振型的计算结果，前面2个振型均为水平振动，屈服前模型第5个振型为竖向振动，自振频率为3.86HZ，能满足《城市人行天桥与人行地道技术规范》[5]第2.5.4条要求。

表2 动力特性结果(屈服前)

表3 动力特性结果(屈服后)

3.4 悬挑梁刚度影响

由于钢连廊一端支座落在车站主体的悬挑梁上，连廊的舒适度容易受悬挑梁的刚度的影响，因此需要考察悬挑梁的竖向刚度对连廊的影响。悬挑梁的悬挑长度为6.0m，悬挑梁的断面尺寸为2000×2000～1500(H)的变截面预应力混凝土梁；通过对车站主体计算模型的悬挑梁端部施加1kN的集中力来提取悬挑梁的竖向刚度为600kN/mm，输入电算计算结果与第5振型对应的竖向自振周期为0.26208s，自振频率为3.816HZ，与屈服前模型3.86HZ非常接近，说明悬挑梁刚度非常大，可以忽略其对连廊的影响。

3.5 横风荷载验算

风是空气从气压大的地方向气压小的地方流动而形成。风速越大，对结构产生的压力就越大，从而使结构产生大的变形和振动[2]。细长结构在风荷载作用下，结构可产生顺风向效应、横风向效应及共振效应和空气动力失稳。当横风向效应和空气动力失稳起作用时，有可能起到控制作用。因此需要对大跨钢结构连廊进行横风向验算。

根据《建筑结构荷载规范》[3]横风向振动按雷诺数Re划分3个范围：亚临界范围Re<3×105，超临界范围3×105≤Re<3.5×106，跨临界范围Re≥3.5×106；连廊的横风向第一自振频率Fl1=0.905，目前国内规范未对矩形结构提供斯脱罗哈数St的取值，因此依据欧洲规范[6]对矩形d/b=7.7/6.7=1.15查得斯脱罗哈数St=0.11，钢结构连廊的阻尼比ξ=0.01，基本风压0.8kN/m2,距离地面高度14.2m，连廊顶风速υ14.2：

连廊平均高度按D=5.0m，若T1取屈服前模型计算的第一个横向振型的自振周期T1=0.55，因此临界风速υcr和雷诺数Re：

Re=69000×vcr×D

=69000×82.6×5=28.5×106

Re=28.5×106>3.5×106，处跨临界范围，可发生跨临界的强风共振；又由于υ14.2<υcr，因此可不进行验算漩涡脱落共振效应。

若T1取屈服后模型(即采用普通叠层橡胶支座)计算的第一个横向振型的自振周期T1=1.1，因此临界风速υcr和雷诺数Re：

Re=69000×vcr×D

=69000×41.3×5=14.2485×106

Re=14.2×106>3.5×106，处跨临界范围，可发生跨临界的强风共振，又由于υ14.2<υcr，因此可不进行验算漩涡脱落共振相应，但由于实际风速与临界风速比较接近，需引起注意。

从以上分析可知：对连廊支设计时，低位封闭式连廊应选用屈服前刚度较大的铅锌橡胶支座来抵抗风荷载作用，避免形成横风向共振效应；高位封闭式连廊易引起横风向共振效应，应采取更有效的控制措施来保证结构安全。

3.6 连廊拼装及合拢

双跨连续连廊(23.15m+23.3m)总长46.45m，超出车辆运输的长度，因此需要将桁架分段进行运输；分段位置应设置在弯矩和轴力较小位置的位置。福州地区基本气温3°C ～37°C，最高极端气温40°C，最低极端气温在-1°C，夏季最高月平均气温为35°C，冬季最低月平均气温10°C，夏季室内温差按15°C，冬季室内外温差按15°C，钢结构外围有玻璃幕墙包围，属于室内构件，合拢温度取为15°C～30°C，根据《建筑结构荷载规范》温度作用计算如下：

Ts,max=0.5×[0.5×(37+40)+(35-15)]=29.25

Ts,min=0.5×[0.5×(3-1)+(10-15)]=13.25

升温工况：

ΔTk=Ts,max-T0,min=29.25-10=19.25

降温工况：

ΔTk=Ts,min-T0,max=13.25-30=-16.75

考虑外包幕墙为铝板幕墙导热系数比较大以及最高气温和最低气温有可能发生变化等因素影响，适当取大温度工况，升温工况按+30°C，降温工况按-20°C。

4 节点设计

空腹桁架由于缺少斜腹杆传递剪力，竖向腹杆和水平弦杆必须采用刚接节点，利用弦杆和竖向腹杆的抗弯能力形成整体刚度及承载力，竖向腹杆和水平弦杆的连接节点采用是类似梁柱节点做法，弦杆为贯通形式，具体做法如图6所示。弦杆拼接节点需要按等强设计，具体做法如图7所示。

图6 连廊节点示意图

图7 弦杆拼接节点示意图

5 施工吊装工况验算

施工方案确定前应依据《钢结构工程施工规范》(GB50755-2012)对钢结构吊装进行施工验算，选取合适施工方案。施工时建议采用分段整体式结构吊装，每个分段吊装时下部设置临时支撑结构。施工需要考虑荷载包括结构自重、施工活荷载、10年一遇风荷载，按《建筑结构荷载规范》[3]要求进行荷载组合对结构的强度、稳定和刚度进行验算[4]。

6 结语

(1)钢结构连廊采用空腹桁架结构体系可行，但是应注意竖向腹杆与水平弦杆必须采用刚接节点。

(2)跨中腹杆对桁架整体刚度影响不大，在满足上下弦杆受力及建筑专业要求前提，可以适当拉大跨中腹杆间距，提高经济指标。

(3)支座附近增加斜拉腹杆可以大大提高桁架整体刚度及改善桁架受力性能，在满足建筑专业要求情况下，尽量增加支座附近斜拉腹杆。

(4)钢结构连廊两端支座若设置在主体结构悬挑构件上，主体结构悬挑构件应提高设计水准，同时应考虑悬挑结构对钢结构连廊的整体刚度不利影响。

(5)大跨钢结构连廊，长细比较小，对沿海风荷载较大城市应引起注意，容易引起横风向风振效应。

(6)钢结构连廊设计应考虑施工因素，给出明确的构件拼装位置及合拢温度。