悦来汇项目大跨度连桥结构优选分析

悦来汇项目大跨度连桥结构优选分析

田俊永,龚亮,龙杭,周松

重庆市设计院有限公司，重庆400050

[摘要] 几何不变的三角形桁架结构为刚性单元，杆件主要承受轴向拉力和压力，结构效率较高，而空腹桁架造型美观。悦来汇项目大跨度连桥的最大跨度为60米，桁架杆件作为建筑表达的一部分，部分外露并与外立面效果相互融合，体现出了结构之美。本文依据该项目连桥设计，阐述了结构整体方案对比、结构稳定分析、支座设计等分析。

[关键词]大跨度；连桥；桁架；屈曲分析

Structural analysis and design of yuelaihui Long span bridge

Tianjunyong Gongliang Longhang Zhousong

(Chongqing Architectural Design Institute Co.Ltd.)

Abstract： The triangular truss structure with constant geometry is rigid element, and the rods are mainly subjected to axial tension and pressure. The structure efficiency is higher, while the vierendeel truss is beautiful in shape.The maximum span of the long-span bridge of Yuelaihui Project is 60 meters. As part of the architectural expression, the truss rods are partially exposed and integrated with the facade effect, reflecting the beauty of the structure.Based on the bridge design of the project, this paper expounds the overall structure scheme comparison, structure stability analysis, support design, etc.

Key words: Large Span; The bridge; Truss; Buckling analysis.

1、工程概况

1.1.工程简介

本工程项目位于两江新区悦来新城, 西侧临张家溪生态公园，场地内存在较大高差，考虑与自然生态河谷的融合，沿坡地布置退台式独栋小商业建筑，形成高低错落的商业街区。 退台式商业街区,利用南北贯通的道路和多个平台，将项目沿等高线划分为多个台地。其中在场地中轴线位置布置一60米跨度的景观连桥，连接峡谷两侧高台地部分，既满足了实用性的需求，又满足了建筑师对造型的要求。连廊跨度较大，不仅受到较大的竖向荷载作用，也受到温度、支座约束等边界条件影响，结构受力比较复杂。通过分析对比找出影响连桥结构受力的因素，选择合理经济的结构布置，对工程应用具有重要的意义。

图 1建筑效果图

1.2.设计条件和参数

本工程抗震设防类别为丙类，建筑结构的安全等级取二级，设计使用年限为50年。地基基础设计等级为甲级。抗震设防烈度为六度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类。基本风压取50年一遇的基本风压值0.40kN/m2，地面粗糙度取C类，山区的建筑物在进行风荷载计算时需要考虑地形情况进行风压高度变化系数修正。

2、连桥桁架计算模型

本连桥两侧受力主梁采用空腹式桁架，钢桁架弦杆和腹杆之间采用刚接，一端支座位于桩基础承台上，一端支承于商业二层框架柱的牛腿上。连桥支座中心跨度60米，宽4米，两侧各采用一榀弧线桁架作为主要抗弯构件受力，上弦铺设轻质造型屋面，形成建筑独特的景观造型，下弦采用压型钢板组合楼盖，板厚130mm。上下弦采用矩管800x500x25x25，腹杆采用矩管450x450x 22x22，腹杆和弦杆交点处水平梁杆件采用矩管450x450x22x22，分割次梁采用H450x300x12x18。钢材型号采用Q355B。采用Midas Gen进行连桥空间整体分析。上弦杆件承受装饰荷载，下弦杆件承受人行荷载。单侧一榀桁架结构布置如图一。

图一连桥正立面图(单位：mm)

图二上弦钢梁平面布置图(单位：mm)

图三上下弦横向次梁平面简图(单位：mm)

3、桁架结构选型及分析

根据建筑外形功能需求，连桥需要做成弧线造型。桁架腹杆可以将四边形空格的空腹梁划分成几何稳定的三角形空格，在上下弦形成的楼屋面荷载作用下，三角形空格周边的杆件主要以轴向受力主，应力在杆件截面上分布均匀，可以充分发挥材料的强度能力。上下弦的空间作用可以形成更大的整体刚度，减少结构的整体挠度。但是因为建筑对空间美学的需求，在中间连桥开敞部位，不希望看到结构腹杆，对结构提出了较高的要求。为确定合理的大跨度钢桁架的结构形式，采用不同的腹杆布置形式对比分析桁架受力情况。

图四a为全节间空腹钢桁架，不设置斜腹杆；图四b在端部第一和第二节间设置斜腹杆；图四c在每个钢桁架的节间设置斜腹杆，杆件节点均采用刚接。

图四a全节间空腹桁架(单位：mm)

图四b端部增设斜腹杆桁架(单位：mm)

图四c全节间斜杆桁架(单位：mm)

各桁架杆件的截面尺寸和材料性能均相同，上下弦杆件竖向荷载大小和作用位置均相同。通过采用Midas Gen进行结构静力分析。因左右对称，左端支座为固定铰支座，右端支座为滑动支座，故给出右侧一半桁架的分析结果，其弯矩分布规律见图五，轴力分布规律见图六，构件节点位移分布规律见图七，

图五a全节间空腹桁架

图五b端部增设斜腹杆桁架

图五c全节间斜杆桁架

由弯矩图可以看出，全节间空腹桁架各个杆件弯矩分布极不均匀，靠近支座处弯矩最大，向跨中方向逐渐减小，端部第二个腹杆弯矩最大达到2598kN•m，上下弦杆件最大轴力和最小轴力比为19.1，腹杆最大弯矩和最小弯矩比为为32.5; 端部增设斜腹杆的桁架各个杆件弯矩分布趋于均匀，但仍有差别，最大值出现在第三节间下弦杆件，最大值为806kN•m，上下弦杆件最大弯矩和最小弯矩比为5.6，腹杆最大弯矩和最小弯矩比为为6.4; 全节间斜腹杆桁架各个杆件弯矩分布趋于均匀，最大值出现在第三节间下弦杆件，最大值为420kN•m，上下弦杆件最大弯矩和最小弯矩比为2.6，腹杆最大轴力为端腹杆、第二节间左右腹杆，其余腹杆弯矩均较小。

图六b全节间空腹桁架(单位：kN)

图六b端部增设斜腹杆桁架(单位：kN)

图六c全节间斜杆桁架(单位：kN)

由轴力图可以看出，除端节间外，三种桁架弦杆和腹杆轴力分布比较均匀，端部增设斜腹杆桁架第一和第二节间斜腹杆轴力较大，起到了较大的作用，全节间斜杆桁架弦杆轴力偏大，第一和第二节间斜腹杆轴力较大，其余竖向腹杆内力较大，斜腹杆内力较小。

图七 各桁架结构节点位移图(单位：mm)

全节间空腹桁架跨中节点最大位移为112mm，滑动端支座水平位移为47；端部增设斜腹杆桁架跨中节点最大位移为55mm，滑动端支座水平位移为30，全节间斜杆桁架跨中节点最大位移为53mm，滑动端支座水平位移为30。

可见全节间空腹桁架弯矩分布不太理想，设置斜腹杆不仅可以大大减小上下弦的弯矩，而且可以平衡不同部位弦杆弯矩并趋于均匀，相比较全节间斜腹杆桁架而言，端部增设斜腹杆桁架杆件弯矩值较大，但大部分杆件增大的幅度不多；端部增设斜腹杆桁架中端部的斜腹杆产生较大的轴力，和全节间斜杆桁架杆件轴力比较接近；可以充分利用截面强度，并协调杆件截面观感。端部增设斜腹杆桁架和全节间斜杆桁架均比全节间空腹桁架节点位移小，增设斜腹杆可以有效增大结构的竖向刚度，减小钢桁架的挠度，因此该工程采用的端部斜腹杆桁架形式可以取得较好的经济效益和力学性能。

4、整体稳定性分析

钢结构规范对实腹梁的整体稳定有比较完善的规定，但是缺少对于桁架梁的相关规定，也缺少试验数据进行验证。需要针对桁架连桥的整体稳定进行屈曲分析，得到屈曲特征值、屈曲模态等相关信息。荷载工况采用1.0恒载+1.0活载作为初始荷载。前三阶屈曲模态如下图所示，均为上弦杆件平面外失稳，上弦杆件受压，在平面外仅有两榀桁架之间的连系梁相互支承，且桁架平面外为工字钢弱轴，因此稳定性较差，但屈曲因子均大于3。失稳部位主要发生在跨中区域，可在跨中部位结合建筑功能增设水平横向支承，增强平面外的刚度。

第一阶屈曲模态（屈曲因子3.2）

第二阶屈曲模态（屈曲因子3.6）

第三阶屈曲模态（屈曲因子4.3）

5、支座形式对连桥结构的影响

支座形式的选择对连桥的内力有不可忽视的影响。本连桥左侧采用桩基承台作为支座，桩基础位于中等风化基岩上，左侧连桥位于框架结构框架柱牛腿上，框架柱基础为单桩基础，持力层位于中等风化基岩上，基础沉降极小可不考虑连桥支座的沉降影响。

连桥支座两侧均为铰接时，支座在恒载和活载作用下最大推力为Fx=5624kN,这对支座设计提出了非常高的要求。为避免连桥对建筑主体结构造成较大的水平推力影响，采用一端铰接一端滑动，连桥支座主要承受竖向力的作用，风荷载和地震荷载作用下的水平力由铰接支座承担，滑动端支座留有足够的允许滑移量，保证滑动支座能够协调主楼侧在大震时产生的位移；做好支座的限位设计，保证支座在协调主楼位移时，不会从支座上滑落。

6、连桥动力特性分析

不封闭连桥需要考虑竖向振动和横向振动舒适度，避免在外荷载的激励下，桥身频率和和激励频率一致或接近时造成连桥共振现象。连桥的主要荷载是人行荷载和风荷载等的作用。楼面采用130mm厚压型钢板组合楼盖，通过钢梁上设置栓钉和钢梁形成整体，混凝土的弹性模量取《混凝土结构设计规范》的1.35倍。依据《建筑楼盖振动舒适度技术标准》连廊荷载的规定，舒适度特征值分析采用的荷载为：

—永久荷载的标准值(kN/m2)；

—连桥活荷载(kN/m2)，取0.35kN/m2

。

加速度分析时永久荷载取连桥和装饰材料的自重，单位面积人群荷载包括竖向和横向荷载，取值按照《建筑楼盖振动舒适度技术标准》第9.2.2条得到时程函数。楼盖的竖向自振频率采用有限元分析计算。阻尼比取为0.02。跨中部位作为荷载最不利作用点。采用时程分析方法计算结构的振动峰值加速度，结构如下表所示。

由于端部增设斜腹杆桁架具有较好的结构刚度，厚压型钢板组合楼盖可以增强楼面的水平刚度。结构可以满足竖向振动和横向振动舒适度的要求。

7、结论和建议

节点刚接空腹式桁架连桥因桁架形式的布置不同，结构受力有较大的差异，仅在桁架端部增设斜腹杆可以对桁架整体受力产生较大的效果，跨中竖向腹杆受力比较均匀，杆件截面可以做到大小一致，充分利用截面的承载内力。同时也可以增大桁架的刚度，减少跨中挠度。通过结构屈曲分析，根据屈曲模态在合适部位加设水平横向支承，提高其平面外刚度。

连桥支座采用一端简支，一端采用滑动，可以减少拱形桁架对支座的推力作用，避免支座牛腿部位出现较大的水平推力，对所连的框架结构产生不利的影响，施工时应预估滑动端支座的水平位移，做好支座位置的调整。

参考文献

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