淮海工学院学报（自然科学版）
Journal ofHuaihai Institute〇fTechnology(Natural ScienceEdition)
Vol. 26 No. 2
Jun. 2017
DOI:10. 3969/j. issn. 1672-6685. 2017. 02. 014
大跨度钢桁架连廊结构受力性能分析^
屈敦文\\唐兴荣\\毕文廷2,张峰2
(1.苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州215011;2.苏州工业园区金鸡湖城市发展有限公司，江苏苏州215028)
摘要：以苏州中心8号和9号超高层建筑结构之间的大跨度钢桁架连廊为工程背景，对大跨度钢 桁架结构受力性能进行分析.根据大跨度钢桁架连廊的工程特点，提出了大跨度钢桁架结构的计算 模型，并采用SAP 2000有限元分析软件，对竖向荷载作用下各种类型钢桁架结构的内力进行了分 析比较.此外分析了支座沉降作用下钢桁架结构的内力分布规律，得到了一些有益的结论，可为大 跨度钢桁架安装施工监测提供技术依据.
关键词：钢结构；大跨度桁架；支座沉降；受力性能；有限元分析中图分类号：TU393. 3
文献标识码：A
文章编号：1672-6685(2017)02-0057-07
Mechanical Behavior Analyst of
Large SpanSteel TrussGallery Structure
QUDunwen1 , TANGXingrong1，BIWenting2，ZHANGFeng2
(1. School of Civil Engineering, Suzhou Universky of ^^nce and Technology, Suzhou 215011, China；
2. .Jinji Lake Urban Development Co. ? Ltd. of Suzhou Industrial Park, Suzhou 215028? China)
Abstract: The largespansteel trussgallerybetween8and9super-tall buildingofSuzhouCenter is taken as engineering background, themechanicalbehaviorof largespansteel trussstructure is analyzed. Accordingtotheengineeringcharacteristicsof largespansteel trussgallery, the calculation model of large span steel truss structure is put forward. The internal forces of various typessteel trussstructureareanalyzedbyusingthe finiteelementanalysis softwareSAP 2000. Atthesame time, the internal forcedistribution lawof thesteel trussstructure is analyzedunder the support sett^ment action. Someuseful conclusionswereobtained, whichcanprovidetechni- calbasis fortheconstructionmonitoringof largespansteel truss.
Keywords: steel structure; largespantruss; support settlement; mechanicalbehavior; finite ele- mentanalysis
〇引言
连廊通常是指两栋或多栋高层建筑之间架空的 *
连体结构，这样的结构形式能够较好地满足建筑师
对造型及使用性的需求.连廊的跨度有几m的，甚 至数十m的，因此连廊结构属于大跨度结构，且通 常采用钢结构.连廊不仅要协调端部结构的变形，从
*收稿日期：2017-03-20;修订日期：2017-04-05
作者筒介：屈敦文（1992 —），男，湖南郴州人，苏州科技大学土木工程学院硕士研究生，主要从事混凝土结构与组合结构理论及其应用方
面的研究，（E-mail)28l9l5〇66@qq. com.
通讯作者：唐兴荣（1963 —），男，江苏苏州人，苏州科技大学土木工程学院教授，博士，主要从事工程结构抗震、复杂高层建筑结构体系等
方面的研究，（E-mail) tangxingrong01@ 163. com.
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淮海工学院学报（自然科学版)2017年6月
而需要在水平荷载作用下承受较大的内应力，同时 由于连廊自身跨度较大，除了受到竖向荷载作用之 外，还受到竖向地震作用、两端高层建筑沉降差作用 以及温度作用等的影响[1].因此，连廊结构的受力也 相对比较复杂.另外，整个连廊结构在设计中最需要 关注的环节是与两端塔楼的支座连接形式，若得不 到适当的处理，会严重影响到结构的整体安全性.连 廊的连接方式可采用刚性连接、柔性连接、滑动连接 及铰接连接等.对于不同的连接方式，其处理方法均 不同，所以都需要进行详细的分析和设计，这有助于 确保结构的整体稳定性[1].
对于大跨度结构而言，一般要求采取有效的措 施来减少和防止支座不均勻沉降.由于难以确定支 座位移的计算工况，为避免繁琐及与实际工作状态 不一致的计算，在设计和安装施工时应具体问题具 体分析，综合考虑各方面的因素[2].
本课题组承担了苏州中心8号和9号超高层建 筑结构之间的大跨度钢桁架连廊在施工阶段应力和
变形的监测工作.本文即以该工程的大跨度钢桁架 结构为工程背景，对大跨度钢桁架结构的受力性能 进行分析.
1工程概况
苏州中心D和E区模块之间（SC轴至SL轴之
间），8号超高层建筑（47层，总高度182. 9 m)和9 号超高层建筑（56层，总高度209. 3 m)之间的大跨 度钢桁架结构连廊，高度在2层（6. 94 m)和4层
(17. 20 m)之间.GHJ1钢桁架跨度为50. 855 m， GHJ2和GHJ3钢桁架跨度均为38. 700 m，连廊长
度为65. 78 m. GHJ2钢桁架的弦杆为HlOOOmm
X500 mmX32mmX22mm的工字型钢，竖腹杆为
□ 500 mmX 500 mmX25 mmX25 mm 的箱形钢 管，斜腹杆为□ 600 mmX 500 mmX30 mmX30
mm的箱形钢管，详见图1.钢材强度等级均为 Q390,钢材的弹性模量£ = 2X105 MPa.
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图1 Fig. 1
GHJ2钢桁架 GHJ2 steeltruss
由于被连接的两端8号和9号超高层建筑的体 型、平面和刚度基本相同，相互之间双向对称布置， 且连廊部分楼板有一定宽度，能协调两侧主体结构
的变形，因此大跨度钢桁架两端分别与8号和9号 超高层建筑的钢骨混凝土柱刚性连接，钢骨混凝土 柱内埋 HI 000 mmX500 mmX35mmX50mm 的
Q390工字型钢，混凝土强度等级为C35.
由于受到施工工期的限制，苏州中心8号和9 号超高层建筑之间的大跨度钢桁架采用了在超高层 建筑主体结构竣工前进行钢桁架连廊安装的施工方 案.由于大跨度钢桁架连廊与两端主体结构的钢骨 混凝土柱刚性连接，若后续施工时两侧主体结构发
第2期屈敦文等：大跨度钢桁架连廊结构受力性能分析
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生不均匀沉降，将会在大跨度钢桁架各杆件中产生 很大的附加应力，不仅对钢桁架本身不利，而且会影
响到8号和9号超高层建筑结构的安全性.因此需 要对沉降引起附加应力进行量化的估算，以便采取 必要措施，防止钢桁架和主体结构损伤.
2大跨度钢桁架计算模型选取
以GHJ2钢桁架为分析对象.考虑到钢桁架弦
杆、腹杆与主体结构的钢骨混凝土柱刚接，且两端支
承位于8号和9号超高层建筑的底部，GHJ2钢桁 架水平方向的侧移会受到超高层主体结构的限制， 其水平位移的量级很小，可以忽略不计，即假定钢桁 架结构为无侧移的钢结构.主体结构钢骨混凝土柱 端部固接于地下室的顶板，可按固端处理.这样可得 竖向荷载作用下GHJ2钢桁架结构的计算简图如图 2所示.
P
P
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093
Inolooln
o l寸
6
911图2钢桁架结构计算简图CP=431.02 kN)
Fig.2 Computingmodel of steeltruss structure(P= 431. 02 kN)
3大跨度钢桁架结构选型及分析
3.1不同类型钢桁架结构内力分析
为了确定合理的大跨度钢桁架的结构形式，参
照文献[3]，考虑钢桁架分别采用不等节间空腹钢桁 架、等节间空腹钢桁架、混合空腹钢桁架及斜杆钢桁 架4种形式，如图3所示.
图3a为等节间空腹钢桁架，除右侧节间尺寸 6. 70 m外，其余节间尺寸6. 40 m，即同原结构钢桁架.
图3b为不等节间空腹钢桁架，将左端开间尺寸 从6. 40 m调整为3. 20 m，右端开间尺寸由6. 70 m 调整为3. 35 m，同时将中间节间尺寸从6. 40 m增 加至 9. 675 m.
图3c为混合空腹钢桁架，条件同等节间空腹钢
桁架（图3a)，在钢桁架两端的第一和第二节间设置 斜腹杆.
图3d为斜杆钢桁架，条件同等节间空腹钢桁架 (图3a)，在钢桁架的每个节间均设置斜腹杆.
.等节间空腹桁架
tI
9 S 6II320,06 400| 9 675 . 9 675 .6 400?350 t____________38 700_____________, b不等节间空腹桁架 ,6 400^,6 400^,6 400^,6 400^.6 400 |,6 700e____________38 700_____________c混合空腹桁架 d斜杆桁架 图3不同类型钢桁架结构计算简图（单位：mm) Fig. 3 Computingmodel of different types of steeltruss structures (unit: mm) 各钢桁架杆件的截面尺寸和材料性能均与 GHJ2钢桁架相应杆件相同，竖向荷载大小及作用 位置也与GHJ2钢桁架相同（见图2).图4给出了 采用SAP 2000分析竖向荷载作用下具有不同钢桁 架结构的弯矩分布规律.图5给出了竖向荷载作用 下具有不同钢桁架结构的挠度分布规律. 60 淮海工学院学报（自然科学版)2017年6月 等节间空腹桁架b不等节间空腹桁架 混合空腹桁架d斜杆桁架 图4 Fig. 4 各钢桁架结构弯矩图（单位：kN • m) Bendingmoment diagramof each steeltruss(unit: kN • m) 由图4和图5可以看出：(1) = 11 275. 72 kN • m)为中间节间最大正弯矩（M= 4 211.21kN • m)的2. 68倍，下弦杆最大负弯矩 (M=12 304. 80 kN • m)为中间节间最大正弯矩(M = 4 252. 32 kN • m)的2. 89倍.上、下弦杆的弯矩 1 535. OlkN • m)为等节间钢桁架上弦杆最大负弯 大负弯矩(M= 1 927. 41 kN • m)为等节间钢桁架 下弦杆最大负弯矩（M= 12 304. 80 kN • m)的 0. 157倍.可见，在等节间空腹钢桁架的节间设置斜 腹杆，将竖向荷载向支座传递，将大大降低钢桁架 等节间空腹钢桁架上弦杆最大负弯矩（M矩 (M=11 275. 72 kN • m)的 0. 136 倍；下弦杆最 分布不均匀，不利于发挥材料的作用.上、下弦杆的弯矩值，且上、下弦杆支座与跨中最大 (2) 调整节间尺寸，适当减小端部节间的尺寸， 弯矩基本接近.增大跨中节间尺寸，形成不等节间空腹钢桁架.上弦 杆最大负弯矩（M= 9 675. 02 kN • m)为中间节间 最大正弯矩(M= 5 231. 54 kN • m)的1. 85倍，下 弦杆最大负弯矩(M=10 911. 66 kN • m)为中间节 间最大正弯矩（M= 5 233. 64 kN • m)的2. 08倍. 上、下弦杆的弯矩分布较等节间钢桁架相应弦杆的 弯矩分布更趋于均匀. (3) 混合空腹钢桁架上弦杆最大负弯矩（M= (4) 斜杆钢桁架上、下弦杆的最大弯矩比混合 空腹钢桁架上、下弦杆的最大弯矩迸一步减小，但减 小的幅度不大.而上、下弦杆跨中最大弯矩比混合空 腹钢桁架上、下弦杆跨中最大弯矩减小幅度较大. (5) 如图5所示，等节间空腹钢桁架、不等节间 空腹钢桁架、混合空腹钢桁架和斜杆钢桁架的跨中 挠度分別为 252. 11，262. 28,36. 64 和 26. 75 mm. 材料力学中挠度与抗弯刚度的关系为 第2期屈敦文等：大跨度钢桁架连廊结构受力性能分析 61 EIcv = —J ^M(^) dx dx + Cix + C2. 上式中M(x)为结构在荷载作用下的弯矩值，Q和 C2为积分常数，则结构的挠度与抗弯刚度呈反比例 关系. 上述4种桁架结构形式是在相同荷载条件下进 行的，则M(x)在4种结构形式下是相同的，常数Q U C2也相同.可见设置斜腹杆可大大提高大跨度钢 桁架的刚度，大大减小大跨度钢桁架的挠度. 综上分析可知，当钢桁架的跨度较小时，可采用 等节间空腹钢桁架和不等节间空腹钢桁架，宜优先 选用不等节间空腹钢桁架.当钢桁架的跨度较大时， 可采用混合空腹钢桁架、斜杆钢桁架.设置斜腹杆不 仅可大大减小上、下弦杆的弯矩，而且可大大提高钢 桁架的刚度，减小钢桁架的挠度.3.2大跨度钢桁架结构的内力分析 为进一步确定适合本工程大跨度连廊结构的斜 杆钢桁架结构形式，建立如图6所示的计算模型.其 中模型11与模型12不同之处是第二节间斜腹杆延 伸至边柱，同样模型21与模型22不同之处是第二 节间斜腹杆延伸至边柱，其余条件均相同.在相同竖 向荷载作用下各模型钢桁架结构弯矩分布见图7. 一§\\0寸61AI1 ^ 6 4001,6 4001,6 4001,6 4001, 6 400|,6 700 38 700 a模型11 b模型12 C模型21 d模型22 图6 钢桁架结构计算简图（单位：mm) Fig. 6 Computingmodel of steeltruss structure (unit: mm) d模型22 图7各模型钢桁架结构弯矩图（单位：kN • m) Fig. 7 Bendingmoment diagramof steeltruss of eachmodeKunit: kN • m) 62淮海工学院学报（自然科学版)2017年6月 由图7a和图7b弯矩分布可见，模型12 沉降会引起钢桁架结构附加内力. (1) 上、下弦杆的最大负弯矩分别为模型11上、下弦杆 最大负弯矩的〇. 56倍和0. 42倍.模型11上弦杆、 下弦杆最大弯矩比值（最大负弯矩值与最大正弯矩 值的比值）分别为2. 484和2. 756,而模型12上弦 杆、下弦杆最大弯矩比值分别为1. 265和1. 272.这 表明，将钢桁架两端第二节间斜腹杆分别延伸至边 柱，减小了钢桁架的跨度，大大减小了钢桁架上、下 弦杆的最大弯矩值，且上、下弦杆的弯矩更趋于均 勻，钢桁架的受力更为合理. (2) 由图7c和图7d弯矩分布可见，模型22弦杆最大负弯矩为模型21上弦杆最大负弯矩的 0.48倍，其最大正弯矩值基本相同；模型22下弦杆 的最大正弯矩和最大负弯矩与模型21基本相同.这 表明，将钢桁架两端第二节间斜腹杆分别延伸至边 柱，减小了钢桁架的跨度，大大减小了钢桁架上弦杆 的最大负弯矩值. (3) 由图7b和图7d弯矩分布可见，模型12弦杆最大弯矩值与模型22基本相同，但模型22下 弦杆的最大弯矩约为模型12下弦杆相应最大弯矩 的2倍以上.这表明，模型12钢桁架结构形式受力 相对较为合理.(4) 虽然弯矩作为主要考虑因素，但是杆件的 轴力情况不能忽视.通过对比4种模型的轴力值，可 知4种模型轴力最大值均出现在端节间的斜腹杆 处•模型12轴力最大值（N=2 803. 92 kN)为模型 11轴力最大值(N=6 397. 16 kN)的1/2左右，模型 22轴力最大值(N=2 650. 32 kN)为模型21轴力最 大值(N=6 523. 30 kN)的2/5左右.可知将斜腹杆 延伸到柱，可以将腹杆轴力值有效地降低.主要是因 为下层斜腹杆将端部节间腹杆的轴力有效地分散到 柱上，并使得轴力分布更加均勻. 综上分析可见，将斜杆钢桁架两端第二节间斜 腹杆分别延伸至边柱，可减小钢桁架的跨度，大大减 小钢桁架上、下弦杆的最大弯矩值与桁架腹杆的最 大轴力值，使上、下弦杆的弯矩分布更趋于均勻，并 使得桁架腹杆轴力值得到有效降低，使钢桁架的受 力更为合理. 4支座沉降对大跨度钢桁架结构内力 的影响分析 当大跨度钢桁架连廊两端主体结构有沉降差， 且钢桁架与主体结构采用刚性连接时，支座不均勻 4.1支座沉降引起钢框架的附加内力分析以图8a所示钢框架为例进行分析.假如D端 支座向下沉降（位移）为A根据结构力学计算方法 可得，支座沉降作用下钢框架的弯矩图（见图8b).图中，Ma = Mb 女 m0，mc= md = ^c+^b M0, 6fbA L . 由图8b可知，支座沉降对钢框架结构产生较大 的附加内力，不能忽略.图2的钢桁架结构计算简图 与上述钢框架结构类似，故必须考虑支座沉降对钢 桁架结构附加内力的影响. b弯矩图 图8支座沉降引起钢框架的附加弯矩 Fig.8 Additional bendingmoment of the steel frame under support settlements 4.2支座沉降作用下钢桁架结构内力分析 根据《建筑地基基础设计规范KGB 50007— 2011)[4]的规定，当基础不均勻沉降时，体系简单的 高层建筑基础的平均沉降量为200 mm.故本文取 两端不均勻沉降差A=l〇〇mm分析. 采用SAP 2000分析图2钢桁架结构在支座沉 降A=100mm时结构内力的变化规律.图9给出了 上 上 第2期屈敦文等：大跨度钢桁架连廊结构受力性能分析 63 支座沉降作用下钢桁架结构的弯矩、轴力图.8 006.39 b轴力图（单位：kN) 图9 支座沉降作用下结构的内力 Fig.9 Internal force of structure under support settlement 由图9可知，在支座沉降作用下，钢桁架腹杆 (竖向、斜向）以轴压为主，而上、下弦杆为压弯构件， 内力最大值位于钢桁架两端第一节间.上弦杆最大 弯矩从上弦= 1 023. 80 kN • m，最大轴拉力^上弦二 8 006.39 kN;下弦杆最大弯矩ML弦= 1 036. 76 kN • m，最大轴拉力〜下弦=4 105. 72 kN. 综上分析可知，支座沉降对大跨度钢桁架结构 产生较大的附加内力，附加内力会对钢桁架不利，因 此应采取有效措施来减少和防止支座的不均匀沉 降，并考虑支座沉降可能产生附加内力的影响. 5结论和建议 (1) 当钢桁架的跨度较小时，可采用等节间空 腹钢桁架和不等节间空腹钢桁架，宜优先选用不等 节间空腹钢桁架.当钢桁架的跨度较大时，可采用混 合空腹钢桁架和斜杆钢桁架.设置斜腹杆不仅可以 大大减小上、下弦杆的弯矩，而且可以大大提高钢桁 架的刚度. (2) 将斜杆钢桁架两端第二节间斜腹杆分別延 伸至边柱，可减小钢桁架的跨度，大大降低钢桁架 上、下弦杆的最大弯矩值，使上、下弦杆的弯矩更趋 于均匀，钢桁架的受力更为合理. (3) 支座沉降会引起大跨度钢桁架较大的附加 内力，对钢桁架杆件不利.在大跨度钢桁架结构设计 时，应适当考虑支座沉降的影响.在钢桁架结构安装 施工时，应对超高层建筑主体结构的沉降迸行监测， 同时对钢桁架关键部位杆件的应力（应变）迸行监 测，以防止钢桁架和主体结构发生损伤.参考文献： [1] 王晓东.高层建筑大跨度钢结构连廊设计[J].工程建 设与设计，2014(12) :25-27. [2] 张昭一，王元清，高阳，等.支座沉降对拱壳杂交钢结构 设计的影响[J].建筑科学与工程学报，2012,28(11): 1-4. [3] 唐兴荣，蒋永生，丁大钧，等.新型钢筋混凝土空腹桁架 的结构分析[J].东南大学学报，1996,26(6B) :94-96. [4] 中国建筑科学研究院.建筑地基基础设计规范：GB 50007—2011[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.[5] 冯国栋，唐兴荣.钢骨一钢管混凝土柱非线性有限元分 析[J].淮海工学院学报（自然科学版），2014,23(2): 65-70. (责任编辑：褚金红) 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容