小连廊，大麻烦，单跨乙类高层连廊的结构设计分享

本工程位于上海市静安区，地上新建部分由医疗楼、科教楼等几个单体组成，各单体之间 通过连廊相互关联。本文介绍的连廊一共4层，分别连通医疗楼和原有住院大楼的4~7层 。 连廊结构总高度27.4m，首层层高13.9m，其余各层层高4.5m。

建筑效果图

连廊宽 4.2 米，总跨度 72.7 米，建筑专业这次比较大方，总共给了 6个柱位，建筑立面图和平面图如下所示。

连廊立面图

连廊平面图

1. 结构方案

连廊左侧为新建医疗楼，结构高度 55.4 米，采用框剪结构，存在多项不规则，属于超限高层建筑结构。连廊与医疗楼结构体系不同，高度不同，且均为复杂超限结构，为避免相互之间产生影响，设置结构缝将两者断开。

连廊右侧是原住院大楼，为避免新建建筑对原有结构产生影响，同样在连廊与原住院大楼间设置结构缝。这样连廊就分割为一个单独的结构单体。

另外，连廊用来连通医疗楼和原住院大楼，两栋建筑抗震设防类别均为乙类，故连廊的抗震设防类别也取乙类。

对于一个高层、乙类、大跨的钢连廊，你觉得应该采用什么结构方案？

X 方向比较简单， 40 米大跨，直接做桁架，然后两端最大悬挑 9.45 米，桁架也能搞定。直接得到 X 向结构方案布置如下图所示。

Y 方向就有点意思了， 《建筑抗震设计规范》明确规定高层或乙类建筑，不得采用单跨框架结构。 但是这个连廊呢， 首先由于建筑条件限制，它只能是单跨结构，然后呢它又是高层，还是乙类， 这就有点难搞了。

我们领导当时的想法是， 规范为什么要求高层或乙类建筑不能采用单跨框架结构，还不是因为冗余度低嘛，那么好了，我设计时直接把结构做强，甚至把承载力做到大震弹性，这样就不需要冗余度了，那么规范条文也就可以突破了。 很多地方的项目也都是这么做的，而且基本只要求中震弹性或者中震不屈服就行了。但是不好意思，评审专家说：N0！这条规定必须要遵守。

这就 非常讨厌了，不能做框架，那就只能加撑了，但这又是个连廊，需要走人的，上面几 层肯定不能加 撑，只能加在底层。底层也要走人啊，如果直接加对角撑或者人字撑，又不满足人行净高要求，没办法，只能再把底层的支撑拆分成两段。那么是采用对角撑还是人字撑呢？我们当时的想法是，尽可能的让支撑的受力更小，这样Y向就更偏向于框架结构，结构体系比较纯粹。最后通过计算选了双层人字撑。

最终连廊的结构方案布置如下图所示。

2. 静力分析

2.1 施工模拟分析

施工顺序对大跨钢结构的受力存在影响，采用 ETABS 对本单体进行施工模拟分析，模拟过程结合实际施工顺序、考虑施工模拟方案相对应的结构刚度形成过程、加载顺序条件等，共设定 5 个施工步，具体如下所示：

STEP 1：施工底层柱及短跨区域梁

STEP 2：施工主体桁架

STEP 3：施工主体桁架内水平构件

STEP 4：施工悬挑拉杆

STEP 5：施工悬挑区域梁、柱

将考虑施工模拟顺序的结构计算结果与采用 “ 自重一次性加载 ” 方式的计算结果进行对比，具体如下：

综上，通过考虑施工模拟方案分析结果可知， 考虑施工顺序模拟的基底反力、首层框架柱最大轴力、桁架斜腹杆最大压力、框架梁最大弯矩与自重一次性加载的分析结果基本一致，本单体考虑施工模拟顺序对结构构件的内力影响较小。

2.2 弹性分析

读大学的时候就学过，桁架杆件主要以受轴力为主。同时对于大跨结构，跨度越大，竖向荷载作用下的内力分量占比越大，所以大跨桁架杆件内力一般由竖向荷载控制。还有就是，钢结构设计时，为了尽量避免压杆失稳，应尽量将杆件设计成拉杆。

说了这么多，其实就是想考验一下大家的基本功，上述连廊在竖向荷载作用下的轴力分布图是怎样的？简单来说就是拉压杆判定。

恒载作用下的轴力图（红色为压杆，Nmax=4268.2kN）

记住上面的拉压杆分布，下面的分析会用到。

其他 的 弹性分析指标结果就不介绍了，都很常规。这里着重介绍一下这个连廊最特殊的地方。

连廊首层层高 13.9 米，远大于其他各层层高（ 4.5 米）。同时连廊上部楼层布置了整层通高桁架， 这样整个上部结构就成为一个整体，其侧向刚度远远大于结构首层。 给出连廊在 X 向地震作用下的层间位移角计算结果，详下图。

由图可知， X 向地震作用下，连廊 2~4 层的层间位移角线性变化，基本保持一致，且远小于一层的层间位移角，表明连廊上部楼层整体参与变形。

这说明什么？ 说明连廊 X 向在建筑形式上虽然有四层，但从结构受力角度上来讲，连廊上部各层其实是一个整体，它只能算一层，连廊在 X 向本质上是一个两跨单层框架结构。

连廊结构体系演变示意图

3. 性能化设计

性能化设计现在也是超限分析中必须要做的了，钢结构的性能化设计有两种方法，一种是《钢标》的“高延性 - 低承载力”或“低延性 - 高承载力”的设计思路，一种是《高钢规》的按照构件的重要性程度进行性能化设计。

本 连廊结构高度27.4m，属于 高层钢结构，所以参照《高钢规》进行性能化设计。 性能目标取为 B 级，也即我们俗称的中震弹性，大震不屈服。

中震弹性计算时，所有参数与小震保持一致。大震不屈服工况计算采用等效弹性模型，结构阻尼比取5%，周期折减系数取1.0。 中震和大震工况下的内力计算均采用直接分析法。

计算得到的各工况下的构件应力比如下图所示。

中震弹性工况应力比

大震不屈服工况应力比

由上述计算结果可知，中震和大震工况下的各杆件应力比均不大于 1.0 ，结构能够满足预定的“中震弹性、大震不屈服”的抗震性能目标。

4. 屈曲分析

一般都是大跨结构需要做屈曲分析，这个连廊X向勉强算是大跨，所以评审专家要求 也 算一下。

做之前想的是，这一个小框架结构，能发生啥屈曲啊，算完后发现，确实有可能发生失稳 。  

首先是特征值屈曲分析（线性屈曲分析），这个就比较简单了，计算得到的前三阶屈曲模态与前三阶振型保持一致，最小屈曲因子为 59.6 ，远远大于规范限值要求。前三阶屈曲模态如下图所示。

第一阶屈曲模态（屈曲因子59.6）

第二阶屈曲模态(屈曲因子107.9)

第三阶屈曲模态(屈曲因子136.4)

然后是非线性屈曲分析。本文 考虑结构的整体初始缺陷、几何非线性和材料非线性对连廊进行非线性屈曲分析， 其中， 结构初始几何缺陷采用结构的最低阶屈曲模态，缺陷的最大计算值取跨度的1/300。计算得到荷载-位移曲线如下图所示。

由上图可知， 考虑初始缺陷和几何、材料双重非线性时，临界屈曲因子为 8.18 ，表明结构具有较高的极限承载力，满足《空间网格结构技术规程》的要求。 荷载因子达到 8.18 时的结构整体位移如下图所示，此时结构仍能保持整体稳定，继续增加荷载， 桁架受压斜腹杆发生屈曲，荷载因子达到8.84时，结构发生整体失稳， 位移云图如所示。

荷载因子为8.18时的位移云图

荷载因子为8.84时的位移云图

通过上述分析可知， 桁架受压斜腹杆为连廊在竖向荷载作用下的关键受力杆件， 设计时应予以加强，避免成为结构薄弱部位。

5. 抗连续倒塌分析

以前做连续倒塌分析时，为了偷懒，直接做线性静力分析，简单粗暴。现在软件功能越来越强大，非线性动力分析也很方便了，本连廊即采用 SAP2000 的 Consider collapse 功能模块进行连续倒塌计算。

根据前述分析结果， 将桁架受压斜腹杆、框架角柱和中柱分别定义为关键构件， 考虑他们失效对连廊连续倒塌的影响。

失效模型一（桁架受压斜腹杆失效）

失效模型一的时间位移曲线

失效模型二（框架角柱失效）

失效模型二的时间位移曲线

失效模型三（框架中柱失效）

失效模型三的时间位移曲线

由上述计算结果可知，桁架受压斜腹杆、框架角柱、中柱失效后，连廊发生一定振动，最终回到平衡稳定状态，不会发生连续性倒塌。

同时，对比线性静力分析和非线性动力分析的最大位移可知， 本连廊杆件失效后的结构动力放大系数小于 2 。

6. 弹塑性分析

本单体采用Paco-SAP软件进行动力弹塑性分析，因为是用的傻瓜式软件，所以就直接给 计算结果了。

罕遇地震分析

7组地震波作用下，连廊在X、Y两个方向的基底剪力平均值分别为9306.4kN、8214.3kN， 与多遇地震弹性基底剪力比值的平均值分别为 5.05 、 4.93 。

罕遇地震作用下七条时程波的结构顶点最大位移分别为140.3mm、201.9mm， 均不大于结构层高的1.5% （411mm）。

连廊在X、Y方向的最大层间位移角分别为1/101和1/94， 平均层间位移角分别为1/142和1/131。

连廊在罕遇地震作用下构件性能水平云图如图所示。

X向罕遇地震构件性能水平云图

Y向罕遇地震构件性能水平云图

由上图可知，罕遇地震作用下，底部框架柱发生轻度破坏，上部框架柱发生轻微破坏。框架梁、弦杆、斜腹杆、支撑基本不发生损坏。由此可知， 连廊在罕遇地震作用下能保持良好的工作状态，基本能达到性能水准 3 的性能目标。

极罕遇地震分析

本单体进行巨震分析时，峰值加速度根据《中国地震动参数区划图》相关规定，采用插值法计算为294cm/s2，其他计算参数保持不变。

7组地震波作用下，连廊在X、Y两个方向的基底剪力平均值分别为12469.8kN及11978.2kN， 与多遇地震弹性基底剪力比值的平均值分别为6.76、7.19。

罕遇地震作用下七条时程波的结构顶点最大位移分别为195.2mm、225.1mm， 均不大于结构层高的1.5% （411mm）。

连廊在X、Y方向的最大层间位移角分别为1/72和1/60， 平均层间位移角分别为1/99和1/89。

连廊在极罕遇地震作用下构件性能水平云图如图所示。

X向极罕遇地震构件性能水平云图

Y向极罕遇地震构件性能水平云图

由上图可知，极罕遇地震作用下，底部框架柱发生中度破坏，上部框架柱发生轻度破坏或轻微破坏。框架梁、弦杆、斜腹杆、支撑基本不发生损坏。由此可知， 连廊在极罕遇地震作用下能保持良好的工作状态，基本能达到性能水准 4 的性能目标。

超限评审会后，领导跟我说，巨震作用下，场地土可能发生震陷，这时 候应该考虑土与上部结构的相互作用，不能仅考虑地震峰值加速度的放大。我听完后的内心OS：要是这么分析下去，都够一个硕士毕业的了。

7. 后记

不知道读者发现没有，上面在介绍整个连廊的计算分析时，笔者一直都在回避一个问题，构件的截面尺寸！现在来给大家公布一下，连廊底层框架柱用的是钢管混凝土柱（CFT/900x900x40/C60），是不是贼吓人，一个四层的小连廊，柱子截面都赶上超高层了。另外，从三维示意图可以看出，连廊在Y向非常瘦高（高宽比6.5），感官上也觉得它在地震作用下非常容易倾覆。计算结果表明，Y向大震作用下，柱底最大拉力为16000kN，可以想象一下它的柱脚和基础得做的多大才能满足抗倾覆需求。

一切都感觉那么不合理，一切又都那么合理。

另外，做完这个项目再回头看，感觉还是有一些可以做的更出彩的地方，比如支撑的形式可以做一些方案对比，同时可 以考虑做BRB， 或者加阻尼器等等。再深入一点，可以对支撑的布置形式、位置以及阻尼器的设置等进行拓扑优化。

如果想要做的更花一点呢？前面说了，连廊在Y向的倾覆力矩非常大，柱脚设计非常困难。那么是否可以把部分框架柱做成摇摆柱，释放柱脚弯矩的同时还可以做成自复位结构，甚至再把支撑的材料由钢材换成SMA等等。

最后，用我们领导的一句话结束本文， “没有什么是结构做不到的！”。

参考资料

[1]张能伟,阮永辉,郁冰泉.某单跨高层钢连廊结构设计[J/OL].