孙钦学 李光明 姚永涛
【摘要】本文主要介绍济南某商务区项目过街钢结构连廊的结构分析与设计，结构采用midas gen和midas FEA软件进行计算分析。对在恒载、楼面活载、温度作用、地震作用、风荷载作用下的连廊结构杆件及其连接的强度及变形进行验算。
【关键词】钢结构连廊;平面桁架;温度作用
1、概述
该连廊跨度36m，高度15.65m，共三层，连廊底位于2层，连廊屋面位于5层，整体效果图如图1，结构分别由二层与三层楼面处弦杆及之间设置的腹杆组成单层平面钢桁架和四层与连廊屋面弦杆及之间腹杆组成单层平面钢桁架作为主受力构件，形成上下两层独立受力的单层桁架结构体系，详图2所示。连廊两侧平面桁架间距15m，桁架外侧悬挑0.5m至3.5m，以满足连廊造型要求，单层桁架受力体系详国3所示，楼面采用钢筋桁架楼承板。根据结构的受力特点，连廊桁架底部一端设置铰支座，一端设置滑动支座，桁架顶部两端均设置限制桁架平面外移动的限位支座，保证桁架的平面外稳定性。
2、荷载作用、特点及荷载效应分析
2.1风荷载
连廊位于两栋建筑之间，风荷载较大，且在垂直于连廊方向，风荷载受荷面积大，应对垂直于连廊方向的水平风荷载作用进行计算和分析。
2.2地震作用
连廊跨度36m，为大跨结构，需进行水平地震作用和竖向地震作用[1]的验算。同时，根据连廊所搭两侧建筑，在地震作用的相对位移差，确定滑动支座的滑动值。楼板厚度150mm，且楼板在各层处，均较完整，在计算地震作用时，考虑楼板平面内刚度，增加了连廊结构水平方向的刚度，增加连廊两侧平面桁架，在桁架平面外的稳定性。为满足楼板与钢结构部分的连接，在设计过程中，要求钢梁与楼板的栓钉连接，满足《钢结构设计标准》[2]对完全抗剪组合梁的要求。经计算，在考虑楼板平面内刚度后，连廊结构水平方向最大自振周期1.231s，竖向最大自振周期1.832s，楼板较有效地增加了结构水平向刚度。根据大震作用下，两侧建筑的相对位移差，确定滑动支座最大滑动为200mm。
2.3温度作用
连廊长度较长，主受力构件为钢材，易受温度变化的影响，需对温差作用下，连廊的变形做相应的分析，以为结构提供设缝依据，以减少构件内的温度应力和楼板裂缝。结构合拢温度要求为15℃±5℃，升温30℃，降温30℃，在考虑升温作用的标准组合作用下，下端滑动支座最大位移约20mm。上端限位支座，最大位移约14mm。位移量均在下端滑动支座和上端限位支座的允许值范围内。
2.4各荷载工况下的计算
在恒载、楼面活载、温度作用、地震作用、风荷载作用下[3]，采用midas gen对连廊结构进行计算分析，得出连廊平面桁架应力比，弦杆最大应力比0.463，腹杆最大强度应力比为0.587，桁架杆件应力比均小于1.0，满足桁架
3、节点分析
连廊由两榀主桁架，和桁架之间梁板及两桁架外侧的悬挑部分组成，为平衡桁架外侧悬挑部分的弯矩作用，桁架之间搭在桁架上下弦杆节点位置的钢梁与弦杆刚接，（搭在弦杆上的钢梁与弦杆铰接）。致使桁架节点既受桁架自身所受平面内弯剪作用在节点位置的产生的应力，还要承担钢梁传来的桁架平面外的弯矩作用，受力较为复杂，现对受力较大的支座和跨中节点在风荷载、地震作用，温差作用等组合工况下的受力状态做出分析。现采用midas FEA软件对较典型的跨中位置节点进行分析，图4为跨中位置节点在最不利荷载作用下的应力云图，仅局部交接位置有少于应力集中，其他位置最大为152.9N/mm2，小于Q345的材料強度。
4、支座
连廊连接两个单体建筑，如果连廊与两侧主体均固结或铰接，会形成连体建筑，形成复杂高层建筑，连廊及相连两侧的主体受力复杂，设计难度较大，且会增加建设成本，通过在连廊一端设置铰支座，一端设置滑动支座，使连廊与一侧主体脱开，减少连廊对两侧主体的影响，简化了结构受力体系，减少了建设成本。
支座设置在每榀连廊桁架四个角部，桁架下部一端设置铰接支座，详图5中支座类型一;另一端设置顺桁架方向的单向滑动支座，详图5中支座类型二;桁架上部两端均设置仅限定垂直桁架方向的限位支座，详图6中支座类型三;以保证桁架平面外的稳定，同时与下部支座一起承担垂直于桁架方向的水平地震力和风荷载作用。图3中支座1、2采用支座类型一，为铰支座[4]，支座3、4采用支座类型二，为单向滑动支座，支座5、6、7、8采用支座类型三，为桁架上部限位支座。为保证连廊结构整体能够抵抗平面外的水平方向的风荷载和地震作用，该处连廊支座承载力不得低于表1中各支座的在相应方向反力值。如桁架下部支座，抗剪承载力不得低于1500KN，竖向抗压承载力不得低于6000KN;而图3所示为上部限位支座，四个上部支座均允许顺桁架方向的滑动，同时允许桁架在竖向发生一定的变形（变形范围为），以减少较大的桁架平面内内力对限位支座的影响，在垂直桁架方向，支座5、6、7、8号支座应能承受风荷载和地震作用下在该方向的反力，桁架上部限位支座在垂直桁架平面方向的承载力不得低于1500KN。
结论：
（1）连体结构属于复杂结构类型，中间连接体，采用一端铰接，另一端滑动的措施，较好地减小两侧建筑的受力复杂程度，使两侧建筑可以分别建模计算，简化了结构的计算分析。
（2）在连廊楼板较完整，且楼板与钢梁采取了有效连接的情况下，可以考虑楼板在平面内的刚度，楼板为连廊整体提供较大的水平刚度，增加了连廊桁架平面外的稳定性，并减小了结构设计的复杂程度。
（3）因造型要求，连廊平面桁架平面外与楼面钢梁刚接，承载平面外弯矩时，桁架受力较为复杂，但经midas FEA软件分析，典型节点处，钢材应力均小于所采用钢材的强度设计值。
（4）每榀桁架支座应能承载，连廊在各荷载组合工况下的最不利组合值。且在支座位移释放方向，支座的允许滑动值，不应小于结构在地震作用，温度作用等与恒、活荷载的准永久组合作用下的变形量，从而达到计算模型中对各支座特性假定。