（基准方中建筑设计股份有限公司，成都610010）
通讯作者：杨俊清 Email: yangjunqing@jzfz.com cn
[摘要] 某商业裙楼通过4座钢结构连廊相连，连廊高度11.35m。通过建筑、市政功能等关键因素的控制要求，确定了该连廊的结构体系；同时根据项目特点，对比双斜腹杆和单斜腹杆在常用的两种型钢类型下的经济性，以选择适合的构件形式，并对舒适度进行了详细的分析和验算。
[关键词] 钢结构连廊；钢结构桁架；结构选型；舒适度验算
1 工程概况
该项目位于成都市高新区，占地面积约3.26万m2，总建筑面积约16.20万m2，项目分为3个地块，每个地块分别被城市道路分隔开。1号地块为1栋31层的高层公寓和数栋4层商业裙楼；2号地块为1栋27层的高层公寓和数栋4层商业裙楼；3号地块为1栋12层办公写字楼和数栋四层商业裙楼；各地块之间通过4座钢结构连廊相连。连廊底层为道路通行，二层为通行空间，三层为开放平台。
图1 项目总平图
《天府新区公园城市建筑⼯程风貌设计控制导则》中指出地块之间可架设二层步行通廊，对本次连廊具有积极指导意义，连廊有利于创造界面连续、适宜步行的商业，优化公共交通间换乘的步行体验，同时有利于满足地块间商业功能和互联互通的需求。
2 基本参数
抗震烈度：7度(0.10g) 设计地震分组：第三组
特征周期：0.45s 场地类别：Ⅱ类
基本风压：0.30kN/m2 地面粗糙类别：C类
抗震等级：四级 结构体系：钢结构桁架
嵌固端部位：基顶 钢材标号：Q355B
楼板类型：钢筋桁架楼承板 楼层板厚度：120mm
屋面板厚度：120mm 结构高度：11.35m
层高：一层6.05，二层5.3m
3 方案布置
项目由3个地块构成，各地块分别被城市道路分开，建筑方案在2层位置设计4座钢结构连廊，将各地块串联，设计时连廊与混凝土结构主体脱开并按规范设置抗震缝。连廊跨度分别为：56.8m×5.5m 、49.25m×5.5m、47.25m×5.5m、53.9m×5.5m。
现对56.8mx5.5m的连廊进行方案对比分析：
(1)连廊为大跨结构；
(2)连廊底层为地块间市政道路，需通行车辆，根据《城市道路工程设计规范（2016版）》中规定，机动车道最小净高为4.5m，本连廊方案要求净高底部距离城市路面不小于5m，故需控制主跨钢梁的高度；
综上所述连廊结构为钢结构桁架。桁架高度6m，型钢采用Q355B。方案采取以下方式进行组合和比选：
①：屋顶不考虑种植覆土；②：屋顶考虑300mm厚种植覆土；③：屋顶考虑600mm厚种植覆土。
上下弦杆和腹杆采用箱型和H型两种不同的截面方式。
经计算结构整体参数均能满足规范和设计计算要求。
具体方案图示意如下：
图2 方案一（双斜腹杆）
图3 方案二（单斜腹杆）
4 设计控制原则
4.1 结构体系及构件控制原则：
设计依据：
《建筑抗震设计规范》 （2016年版）GB 50011-2010
《钢结构设计标准》 GB 50017-2017
支撑杆件长细比，按压杆设计时，按《建筑抗震设计规范》8.4.1-1条控制，不应大于99；
腹杆、弦杆、框架柱及框架刚梁板件宽厚比按《建筑抗震设计规范》8.4.1-2条表8.4.1控制，次梁板件宽厚比按《钢结构设计标准》要求执行。
4.2大跨结构舒适度控制原则：
按照《城市人行天桥与人行地道技术规范》2.5.2条：天桥上部结构，由人群荷载计算的最大竖向挠度，不应超过L/600（L为计算跨度）；
按照《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）：大跨度公共建筑不宜低于3Hz；
按照《高层建筑混凝土结构技术规程》表3.7.7的要求，按线性插值计算出各类自振频率所对应的竖向振动加速度限值。
5 方案计算结果
方案一：①无种植覆土；②300mm厚种植覆土；③600mm厚种植覆土时，上下弦杆均为构造控制，故方案一仅保留600mm厚种植覆土的计算结果；考虑实际钢结构节点构造，方案一和方案二计算含钢量放大了1.1倍。具体方案计算结果如表1a和表1b。
方案一和方案二计算汇总表 表1a
构件类型 | 方案一（双斜腹杆） | 方案二（单斜腹杆） | |||
Ｈ型钢 （600覆土） | 箱形型钢 （600覆土） | Ｈ型钢 （600覆土） | 箱形型钢 （600覆土） | ||
上弦杆 | 截面 | H500×400×16×25 | □500×300×12×16 | H600×350×12×25 | □600×300×16×16 |
应力比 | 0.46 | 0.65 | 0.71 | 0.72 | |
下弦杆 | 截面 | H500×400×16×25 | □550×300×12×16 | H500×350×12×25 | □500×300×12×16 |
应力比 | 0.50 | 0.63 | 0.65 | 0.74 | |
斜腹杆 | 截面 | H300×350×16×25 | □350×250×16×16 | H300×250×16×20 | □350×250×12×14 |
应力比 | 0.96 （Y向稳定应力比） | 0.97 （Y向稳定应力比） | 0.87 | 0.81 | |
竖腹杆 | 截面 | / | H400×300×20×30 | □350×250×14×14 | |
应力比 | / | / | 0.97 （Y向稳定应力比） | 0.93 （正应力比） | |
框架钢梁 | 截面 | H500×300×12×20 | H500×300×12×20 | H500×300×12×20 | H500×300×12×20 |
应力比 | 0.64 | 0.59 | 0.61 | 0.56 | |
一层次梁 | 截面 | H400×200×6×10 | H400×200×6×10 | H400×200×6×10 | H400×200×6×10 |
应力比 | 0.72 | 0.7 | 0.57 | 0.49 | |
屋面次梁 | 截面 | H450×200×10×20 | H450×200×10×20 | H450×200×10×15 | H450×200×10×15 |
应力比 | 0.93 | 0.97 | 0.84 | 0.86 | |
钢柱 | 截面 | □600×500×16×22 | |||
总型钢用量 [t] | 150.854 | 135.311 | 130.98 | 132.121 | |
单位面积用钢量 [kg/m2] | 196.68 | 176.42 | 170.78 | 172.26 | |
图4 计算截面示意
方案一和方案二计算汇总表 表1b
构件类型 | 方案二（单斜腹杆） | ||||
Ｈ型钢 （300覆土） | 箱形型钢 （300覆土） | Ｈ型钢 （无覆土） | 箱形型钢 （无覆土） | ||
上弦杆 | 截面 | H500×350×12×20 | □500×300×12×18 | H500×300×12×18 | □500×300×12×16 |
应力比 | 0.77 | 0.80 | 0.76 | 0.70 | |
下弦杆 | 截面 | H500×350×12×20 | □500×300×12×18 | H500×300×12×18 | □500×300×12×16 |
应力比 | 0.71 | 0.74 | 0.78 | 0.73 | |
斜腹杆 | 截面 | H300×250×12×16 | □300×250×10×12 | H300×250×10×14 | □300×250×8×10 |
应力比 | 0.91 | 0.89 | 0.90 | 0.92 | |
竖腹杆 | 截面 | H350×300×16×25 | □350×250×10×12 | H300×250×16×25 | □300×250×10×12 |
应力比 | 0.93 （Y向稳定应力比） | 0.95 （正应力比） | 0.98 （Y向稳定应力比） | 0.91 （正应力比） | |
框架钢梁 | 截面 | H500×300×12×20 | H500×300×12×20 | H500×300×12×20 | H500×300×12×20 |
应力比 | 0.57 | 0.52 | 0.53 | 0.49 | |
一层次梁 | 截面 | H400×200×6×10 | H400×200×6×10 | H400×200×6×10 | H400×200×6×10 |
应力比 | 0.55 | 0.52 | 0.52 | 0.56 | |
屋面次梁 | 截面 | H450×200×10×15 | H450×200×10×15 | H400×200×10×15 | H400×200×8×12 |
应力比 | 0.65 | 0.57 | 0.50 | 0.51 | |
钢柱 | 截面 | □600×500×16×22 | |||
总型钢用量 [t] | 116.743 | 118.73 | 107.338 | 111.045 | |
单位面积用钢量 [kg/m2] | 152.21 | 154.8 | 139.95 | 144.78 | |
6 舒适度分析及对比
根据4.2所述控制原则，采用midas gen对楼板舒适度进行分析，根据国际标准化组织颁布的ISO 10137所提出的等效同步人数法，计算了连廊在步行人流密度为1人/m2情况下的连廊峰值加速度。
S为楼板上的人群密度，ISO 10137取
。
步行等效同步人数根据建筑疏散人数按公式Ne=13(N=5.5m×30.0m)计算得出，每层施加13个步行荷载或1个跳跃荷载。按照《城市人行天桥与人行地道技术规范》2.5.2条：天桥上部结构，由人群荷载计算的最大竖向挠度，不应超过L/600（L为计算跨度），本工程最大计算跨度为30.0m，限值为50mm。
舒适度验算 表2
方案类别 | 挠度（mm） | 频率（HZ） | 加速度峰值(m/s2) | 加速度限值(m/s2) | |
方案一 （双斜腹杆） | H型钢（600覆土） | 39 | 3.74 | 0.104 | 0.158 |
箱型钢（600覆土） | 41 | 3.61 | 0.091 | 0.163 | |
方案二 （单斜腹杆） | H型钢（600覆土） | 49 | 3.25 | 0.115 | 0.176 |
箱型钢（600覆土） | 49 | 3.25 | 0.110 | 0.176 | |
H型钢（300覆土） | 47 | 3.29 | 0.119 | 0.174 | |
箱型钢（300覆土） | 47 | 3.28 | 0.127 | 0.175 | |
H型钢（无覆土） | 43 | 3.46 | 0.127 | 0.168 | |
箱型钢（无覆土） | 43 | 3.44 | 0.132 | 0.169 | |
7 分析和结论
7.1结果分析：
方案一 H型钢（600mm厚种植覆土）：斜腹杆一半为压杆，截面宽度由Y向长细比控制，斜腹压杆稳定应力比利用充分，因压杆截面较宽，上下弦杆截面加宽，应力比有较大富余。
方案一 箱型钢（600mm厚种植覆土）：斜腹杆一半为压杆，采用箱形截面Y向刚度较好，故压杆截面宽度能较好控制，斜腹杆Y向稳定应力比利用充分，下弦杆高度因舒适度需要加高至550mm。
方案二 H型钢（600mm厚种植覆土）：斜腹杆为拉杆，竖杆为压杆，竖杆截面受Y向长细比控制，竖杆应力比利用充分，相较于形式一H型钢方式，压杆截面宽度减少50mm，因此上下弦杆截面宽度相减少，应力比有较大提升。
方案二 箱型钢（600mm厚种植覆土）：斜腹杆为拉杆，竖杆为压杆，采用箱形截面Y向刚度较好，竖杆截面宽度能较好控制，竖杆正应力比利用充分，但因大跨结构对舒适度有限值要求，需要大跨桁架保持一定的竖向刚度，故上下弦杆截面尺寸同时受桁架竖向刚度控制，应力比有一定富余。
方案二-H型钢（300mm厚种植覆土）：分析同方案二-H型钢（600mm厚种植覆土）
方案二-箱型钢（300mm厚种植覆土）：分析同方案二-箱型钢（600mm厚种植覆土）
方案二-H型钢 （无种植覆土）： 分析同方案二-H型钢（600mm厚种植覆土）
方案二-箱型钢 （无种植覆土）： 分析同方案二-箱型钢（600mm厚种植覆土）
7.2结论：
两种腹杆方案，方案一箱型钢更加经济，方案二箱形型与Ｈ型钢钢经济性对比并无太大差异；
方案二中，覆土厚度对结构用钢量影响较大；
H型钢的节点构造和施工相对于箱形型钢更加简单和便利。
综合经济性、节点构造简易程度和施工便利性，建议采用方案二的H型钢方式，屋面覆土厚度建议综合景观绿植需求选取。
参 考 文 献
［1］ 建筑抗震设计规范: GB 50011—2010 2016 年版 北京: 中国建筑工业出版社， 2016．
［2］ 钢结构设计标准GB 50017-2017 2017 年版 北京: 中国建筑工业出版社， 2017．
［3］ 混凝土结构设计规范GB 50010-2010 2015年版 北京: 中国建筑工业出版社， 2015．
［4］ 高层建筑混凝土结构技术规程JGJ3-2010 2010 年版 北京: 中国建筑工业出版社， 2010．
［5］ 城市道路工程设计规范（2016版）CJJ37-2012 2016年版 北京: 中国建筑工业出版社， 2016．
［6］ 城市人行天桥与人行地道技术规范CJJ69-95 1995 年版 北京: 中国建筑工业出版社， 1996．
［7］ 天府新区公园城市建筑⼯程风貌设计控制导则 四川天府新区成都管委会规划建设国土局 2018
［8］ 梅季魁，刘德明，姚亚雄． 大跨建筑结构构思与结构选型． 北京: 中国建筑工业出版社，2002．
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