某大跨双层钢桁架连廊设计及研究

张明坤，李健荣，李小利

（中煤西安设计工程有限责任公司，西安710054）

1 工程概况

西安市某工业园区2 栋框架结构塔楼1 层、2 层、3 层层高分别为4.20m、3.80m、4.00m，2 层与3 层采用钢连廊连接，跨度为22.00m，轴线宽度为8.10m，连廊立面采用玻璃幕墙（见图1）。

图1 连廊立面示意图

连廊采用钢桁架的结构形式，楼面及屋面板均采用现浇混凝土板，为满足建筑需求，除桁架端头门式钢架和弦梁采用H型钢外，其余构件均为箱形截面，节点构造较一般桁架复杂【1】。本工程抗震设防烈度为8 度，地震分组为第二组；基本风压为0.35kN/m2，楼面恒荷载1.50kN/m2，活荷载为3.50kN/m2【2】。

2 连廊结构布置及设计

2.1 结构布置

连廊采用以下2 种钢桁架布置方案进行对比。桁架布置方案如图2 所示。布置方式的比较：（1）图2b 桁架端头处两节中间弦杆受力远大于图2a；（2）图2b 桁架端头两节上弦内力变化较大；（3）根据建筑外观考虑，外挂玻璃幕墙，图2a 较整齐美观。故选用图2a 布置方案。

由于斜腹杆与竖腹杆内力差别较大，设计中斜腹杆与竖腹杆可区别对待。由于楼面采用现浇混凝土楼板，面内整体刚度足够大，只需在桁架上、中间、下弦的间接节点处设置分割混凝土板的钢梁即可。上、中间、下弦杆同腹杆组成整体桁架承担竖向荷载，同时斜腹杆与上、中间、下弦杆的夹角应在30°～60°范围内接近45°较为合理【3】。

门式刚架布置在连廊桁架两端，承担整个连廊桁架一半的风荷载和连廊桁架一半的竖向荷载。门式刚架是上、中间、下弦水平支撑的支点，上、中间、下弦水平支撑将连廊桁架的横向荷载通过桁架两端的门式刚架传向支座。所以，门式刚架的梁柱的连接宜为刚接。

图2 桁架布置方案

2.2 支座设计

由于连廊所连接厂房仅为3 层，连廊将2～3 层连接（连廊支座底标高约为5m），低矮的弱连接架空连廊可采用滑动铰支承，支座滑移量应能满足2 个方向在罕遇地震作用下的位移要求，并应采取防坠落、撞击措施，为防止大震作用下滑动支承的架空连廊坠落、撞击，其最小支座宽度应能满足架空连廊两侧主体结构大震作用下该高度处弹塑性水平变形要求。

由于两侧主体结构在地震作用下最不利与最大相对变形不一定同时到达，参考IBC2003《美国建筑标准》第1620.4.5款，采用随机振动方法，架空连廊与两侧主体结构在连廊跨度方向防震缝宽度WC为【4】：

式（1）～式（3）中，WC为连廊跨度方向防震缝宽；Δ1、Δ2为连接连廊高度处，沿连廊跨度方向大震弹塑性水平位移；Δ1E、Δ2E为连廊高度处，沿连廊跨度方向弹性水平位移；β大为大震作用与小震作用之比；系数2 为计及大震作用下结构进入弹塑性阶段后结构弹性刚度退化影响。

依据式（1）～式（3）：

厂房1 对应点小震作用下位移角Δ1E：=25mm；

厂房2 对应点小震作用下位移角Δ2E：=27.4mm；

连廊两侧选取隔震橡胶支座见下图3。

图3 隔震橡胶支座详图

2.3 节点设计

除桁架端头门式钢架和弦杆采用H 型钢外，其余构件均为箱形截面，其节点连接较为困难，斜腹杆与上、中间、下弦杆连接时，由于桁架高度限制，斜腹杆焊缝重叠，偏心又超过标准限制，同时考虑箱形截面焊接方便，尽量降低焊接残余应力影响，斜腹杆与弦杆连接采用半多边形焊接设计，独立竖直腹杆与弦杆直接焊接。其中，斜腹杆与弦杆连接点如图4 所示。

在节点计算和设计时，需注意以下问题：（1）半多边形连接节点的节点域加强设计。（2）门式钢架柱与下弦杆连接，由于弦杆为H 型钢且内力较大，采用焊缝连接较困难，可采用螺栓连接。

3 节点次弯矩影响

只承受节点荷载的杆件截面为H 形或箱形的桁架，由于采用直接焊接，节点明显具有刚性连接的特征，应按刚接桁架计算杆件次弯矩，桁架弦杆H 型钢在节点次弯矩及杆件内力见图5。弦杆截面强度宜满足标准【1】式（4）、式（5）的要求，即：

图4 斜腹杆与弦杆连接节点

图5 桁架弦杆内力及次弯矩图

式（4）、式（5）中，W、Wp分别为弹性截面模量和塑性截面模量，mm3；M为杆件在节点处的次弯矩，N·mm；N为杆件轴力，N；A为杆件截面面积，mm2；f为杆件抗拉、抗压、抗弯强度设计值，N/mm2；α、β 为系数，同杆件截面形式有关，应按标准【1】表8．5．2（略）的规定取值。

选取其中典型节点和杆件，计算结果均满足标准要求【5】。

4 结论

对箱形截面连廊设计需注意以下问题：

1）连接低矮建筑的架空连廊，可采用滑动铰支承，支承位移须满足2 个方向罕遇地震作用下的位移要求。

2）斜腹杆箱形截面与弦杆H型钢截面连接时，由于桁架高度限制，偏心超出标准限值时，可采用半多边形焊接节点连接。

3）门式钢架柱与弦杆连接时，由于弦杆为H 型钢且内力较大，建议采用螺栓连接。

4）腹杆与弦杆采用焊接连接时，应考虑刚接桁架杆件次弯矩的影响。