解析某長懸臂建筑結構抗震設計可行性論證報告

凌建宏

摘要: 隨著我國建筑行業的飛速發展，建筑工程出現各種長懸臂的情況，本文筆者主要就參與計算與設計的一棟長懸臂建筑在結構的設計時采取的方法和措施，希望能給同行帶來一些幫助。本文中，工程兩邊外挑15m，為較少見的長懸臂結構，為此主要采取了以下幾項分析措施來保證結構的安全性：① 兩種不同力學模型的結構分析軟件進行整體內力位移計算；② 彈性動力時程分析；③對結構的關鍵部位進行細部分析并提高其抗震措施；④基于性能的抗震設計方法。

關鍵詞: 高層建筑；長懸臂結構設計；問題；解決措施

中圖分類號：TU208文獻標識碼： A

一、工程概況

擬建工程位于南京市河西地區。項目總建筑面積29072.96平方米，其中地上建筑面積22574.13平方米，地下建筑面積6498.83平方米。建筑效果見圖1。

圖1 建筑效果圖

擬建工程為辦公樓，采用框架-剪力墻結構體系。設1層地下室，地面以上12層，模型典型剖面見圖2。6-7層間及11-屋面層間縱向設置型鋼混凝土桁架，腹桿采用方鋼管，桁架挑出長度為15m，高均為8.4m。7-11層間懸挑部分梁柱采用型鋼混凝土，并穿層設置斜拉桿，拉桿采用方鋼管，層高3.9m。

圖2 模型典型剖面示意圖

二、結構體系

擬建工程主體結構采用框架-剪力墻結構體系。1~5層為長48.0m，寬45.6m的規則矩形平面，1、2層層高5.2m，3~5層層高4m；6層以上東西向兩端各挑出15m，南北向兩端各收進12.3m，形成一個長78.0m，寬21.0m的矩形平面，6層、11層層高8.4m，7~10層層高3.9m；主樓平面規則，豎向不規則，層高變化較大，挑出、收進尺寸都比較大。根據本工程特點，在豎向連續部位設置一定數量的混凝土墻，下部加厚，上部減薄來避免6層由于層高突變形成薄弱層；在與懸挑桁架相連的四角設置4片長混凝土墻，保證結構的抗扭剛度并平衡懸挑樓層引起的附加彎矩。懸挑部分6~7層間、11~屋面層間設型鋼桁架，腹桿采用方鋼管；與之相連的主樓周圈均采用型鋼混凝土梁、柱，腹桿采用方鋼管，形成一個封閉的桁架，以更好的平衡懸挑樓層引起的彎矩。懸挑部分7~11層間梁柱采用型鋼混凝土，并穿層設置斜拉桿，拉桿采用方鋼管；與之相連的主樓第一跨內設置斜拉桿，拉桿采用方鋼管，梁、柱均采用型鋼混凝土，以平衡穿層斜桿的內力。懸挑部分桁架斜桿及穿層設置的斜拉桿均采用拉桿，以平衡懸挑端重力荷載作用，受力明確，典型剖面見圖3。

圖3D、F軸剖面示意圖

三、結構分析

1、懸挑部分樓層板應力分析

ETABS模型中，板采用只考慮面內剛度的彈性膜單元，取消剛性隔板假定，六層~屋面層懸挑部位在恒載、活載工況下板（板厚100mm）在水平作用下樓面板面內應力較小。從分析結果可知：在活荷載作用下，懸挑部分各層板內均為壓應力。在恒荷載作用下，懸挑部分各層板內局部產生拉應力，但拉應力很小，最大僅為0.0015MPa。因此懸挑部分樓層板采用普通混凝土樓板，僅作雙層雙向配筋加強。

2、懸挑部分斜拉桿軸力分析

在分析計算中不考慮板的效應，板厚輸入為0。由于本工程平面規則對稱，選取典型桁架進行內力分析。從計算結果可以看出：桁架各桿內力符合設計意圖，六~七層間、十一~屋面層間桁架斜桿受力最大，對其一根腹桿內力做簡要分析。

3、懸挑部分豎向地震作用分析

豎向地震作用在SATWE軟件中按《建筑抗震設計規范》第5.3.1條所述方法計算，對本工程結構總的豎向地震作用標準值約為總重力荷載代表值的3.9％。ETABS軟件中用豎向振型反應譜法計算豎向地震作用，計算了前15個振型，豎向地震作用下（常遇地震），懸挑部分的內力進行重點計算分析。

4、懸挑部分撓度驗算及樓板振動對舒適度的影響

?撓度控制

本工程懸挑長度度較大，進行撓度驗算。在荷載標準值作用下，懸挑部分最外點豎向變形約為36mm，。

，撓度計算滿足要求。

?豎向自振頻率fn控制

本工程懸挑長度度較大，進行了樓板振動舒適度驗算。計算時，參照相關資料，有效分布活荷載辦公取0.55KN/m2，有效重力荷載＝4.0＋0.55＝4.55KN/m2。有效重力荷載下，懸挑部分最大豎向變形約為32mm，樓蓋結構豎向自振頻率fn，計算如下：

參照2009年《混凝土結構設計規范》（征求意見稿）第3.5.6條：辦公、旅館跨度大于9m的樓蓋，其自振頻率不宜小于3.0Hz。本工程樓蓋豎向振動頻率滿足此條要求。

?峰值加速度控制

人行走引起的樓蓋振動的峰值加速度計算和限值如下式：

式中，— 接近樓蓋結構自振頻率時人們行走產生的作用力（KN）；

— 人們行走產生的作用力（KN）；

— 結構阻尼比；

— 樓蓋阻抗有效重量（KN）；

— 重力加速度（9.8）；

— 樓蓋振動峰值加速度限值（9.8）。

計算時，參照相關資料，取0.3KN，取0.05，得：

所以，本工程人行走引起得樓蓋振動峰值加速度小于辦公環境下的峰值加速度要求0.005。

5、結構中震計算結果及分析

由于本工程懸臂長度較大，對與懸臂桁架相連的框架柱墻設置了中震下的性能目標：中震彈性。本工程中震用SATWE程序計算，中震動參數取規范值：特征周期Tg＝0.45s，αmax＝0.23。中震下構件的計算時，與懸臂桁架相連的剪力墻在底部加強區為小偏拉構件。為此在剪力墻的端部設置型鋼，摘出剪力墻的設計內力，按型鋼剪力墻偏心受拉截面設計。

6、結構大震計算結果及分析

由于懸挑部分結構的冗余度很低，沒有多道防線，對于承受懸挑部分重量的主要構件：懸挑部分受拉的斜桿，保證大震下受拉不屈服；與懸挑部分相連的墻柱，保證大震下受剪不屈服。

桁架懸挑部分受拉斜桿大震作用分析時，此部分大震分析用ETABS程序計算，大震動參數取規范值：特征周期Tg＝0.50s，αmax＝0.50。在分析計算中不考慮板的效應，板厚輸入為0。由于本工程平面規則對稱，選取一榀典型桁架內力圖進行分析。懸臂桁架及向內部延伸部分的腹桿在水平地震和豎向地震作用下的軸力，恒載、活載工況下桿件內力。從以上的計算結果可以看出：六~七層間、十一~屋面層間桁架斜桿受力最大，再對其一根腹桿內力做簡要分析。

四、針對結構不規則情況采取的加強措施

本工程豎向不規則，為較少見的長懸臂結構，為此結構設計作了許多分析和設計，確保結構具有很好的承載能力和延性，滿足我國抗震規范設防目標：小震不壞，中震可修，大震不倒。

1、結構計算分析

1）采用兩種不用力學模型的三維空間分析軟件SATWE和ETABS，進行整體結構內力與位移計算和比較，確保計算分析結果的真實可靠；

2）采用彈性時程分析法進行多遇地震下的補充計算，地震波選用PKPM程序自帶的兩條天然波（TH2TG045、TH4TG045）和一條人工波（RH1TG045）；

3）懸挑部分考慮豎向地震作用；

4）懸挑部分樓面板采用考慮面內剛度的彈性膜單元，樓板按應力分析結果進行設計；

5）懸挑部分考慮整體升溫和降溫引起的溫度應力，并參與多遇地震組合。

2、基于性能的抗震設計

針對本工程懸挑長度較長，懸挑樓層較多，對懸挑結構的關鍵部位提出較高的性能設計目標。

3、特殊部位樓面板處理

懸臂部分樓面板厚100mm，雙層雙向配筋，每層每方向配筋率不小于0.25％，保證板具有足夠的水平剛度，有效傳遞水平力。

4、提高結構延性

在滿足承載能力計算的前提下，在結構體系中的關鍵部位如主樓周邊落地框架柱、懸挑部分及與其相連的框架柱墻采用型鋼混凝土構件以提高其承載力和延性。

五、結論

根據概念設計理念，運用多種計算手段，完成了對本不規則工程的結構分析。結果表明：本工程在地震作用下的變形符合相關規范的要求，重要受力構件具有較好的安全儲備。當采用相應的構造措施后，結構的延性也會得到有效的保證。

參考文獻：

[1]甄慶華.廣州某超高層建筑結構設計的關鍵性問題研究[D].華南理工大學.2011．

[2]陶忠.張耀春.韓林海.王光遠．關于高層建筑結構選型設計的初步探討[J].哈爾濱建筑大學學報.2013．