解析某长悬臂建筑结构抗震设计可行性论证报告

凌建宏

摘要: 随着我国建筑行业的飞速发展，建筑工程出现各种长悬臂的情况，本文笔者主要就参与计算与设计的一栋长悬臂建筑在结构的设计时采取的方法和措施，希望能给同行带来一些帮助。本文中，工程两边外挑15m，为较少见的长悬臂结构，为此主要采取了以下几项分析措施来保证结构的安全性：① 两种不同力学模型的结构分析软件进行整体内力位移计算；② 弹性动力时程分析；③对结构的关键部位进行细部分析并提高其抗震措施；④基于性能的抗震设计方法。

关键词: 高层建筑；长悬臂结构设计；问题；解决措施

中图分类号：TU208文献标识码： A

一、工程概况

拟建工程位于南京市河西地区。项目总建筑面积29072.96平方米，其中地上建筑面积22574.13平方米，地下建筑面积6498.83平方米。建筑效果见图1。

图1 建筑效果图

拟建工程为办公楼，采用框架-剪力墙结构体系。设1层地下室，地面以上12层，模型典型剖面见图2。6-7层间及11-屋面层间纵向设置型钢混凝土桁架，腹杆采用方钢管，桁架挑出长度为15m，高均为8.4m。7-11层间悬挑部分梁柱采用型钢混凝土，并穿层设置斜拉杆，拉杆采用方钢管，层高3.9m。

图2 模型典型剖面示意图

二、结构体系

拟建工程主体结构采用框架-剪力墙结构体系。1~5层为长48.0m，宽45.6m的规则矩形平面，1、2层层高5.2m，3~5层层高4m；6层以上东西向两端各挑出15m，南北向两端各收进12.3m，形成一个长78.0m，宽21.0m的矩形平面，6层、11层层高8.4m，7~10层层高3.9m；主楼平面规则，竖向不规则，层高变化较大，挑出、收进尺寸都比较大。根据本工程特点，在竖向连续部位设置一定数量的混凝土墙，下部加厚，上部减薄来避免6层由于层高突变形成薄弱层；在与悬挑桁架相连的四角设置4片长混凝土墙，保证结构的抗扭刚度并平衡悬挑楼层引起的附加弯矩。悬挑部分6~7层间、11~屋面层间设型钢桁架，腹杆采用方钢管；与之相连的主楼周圈均采用型钢混凝土梁、柱，腹杆采用方钢管，形成一个封闭的桁架，以更好的平衡悬挑楼层引起的弯矩。悬挑部分7~11层间梁柱采用型钢混凝土，并穿层设置斜拉杆，拉杆采用方钢管；与之相连的主楼第一跨内设置斜拉杆，拉杆采用方钢管，梁、柱均采用型钢混凝土，以平衡穿层斜杆的内力。悬挑部分桁架斜杆及穿层设置的斜拉杆均采用拉杆，以平衡悬挑端重力荷载作用，受力明确，典型剖面见图3。

图3D、F轴剖面示意图

三、结构分析

1、悬挑部分楼层板应力分析

ETABS模型中，板采用只考虑面内刚度的弹性膜单元，取消刚性隔板假定，六层~屋面层悬挑部位在恒载、活载工况下板（板厚100mm）在水平作用下楼面板面内应力较小。从分析结果可知：在活荷载作用下，悬挑部分各层板内均为压应力。在恒荷载作用下，悬挑部分各层板内局部产生拉应力，但拉应力很小，最大仅为0.0015MPa。因此悬挑部分楼层板采用普通混凝土楼板，仅作双层双向配筋加强。

2、悬挑部分斜拉杆轴力分析

在分析计算中不考虑板的效应，板厚输入为0。由于本工程平面规则对称，选取典型桁架进行内力分析。从计算结果可以看出：桁架各杆内力符合设计意图，六~七层间、十一~屋面层间桁架斜杆受力最大，对其一根腹杆内力做简要分析。

3、悬挑部分竖向地震作用分析

竖向地震作用在SATWE软件中按《建筑抗震设计规范》第5.3.1条所述方法计算，对本工程结构总的竖向地震作用标准值约为总重力荷载代表值的3.9％。ETABS软件中用竖向振型反应谱法计算竖向地震作用，计算了前15个振型，竖向地震作用下（常遇地震），悬挑部分的内力进行重点计算分析。

4、悬挑部分挠度验算及楼板振动对舒适度的影响

挠度控制

本工程悬挑长度度较大，进行挠度验算。在荷载标准值作用下，悬挑部分最外点竖向变形约为36mm，。

，挠度计算满足要求。

竖向自振频率fn控制

本工程悬挑长度度较大，进行了楼板振动舒适度验算。计算时，参照相关资料，有效分布活荷载办公取0.55KN/m2，有效重力荷载＝4.0＋0.55＝4.55KN/m2。有效重力荷载下，悬挑部分最大竖向变形约为32mm，楼盖结构竖向自振频率fn，计算如下：

参照2009年《混凝土结构设计规范》（征求意见稿）第3.5.6条：办公、旅馆跨度大于9m的楼盖，其自振频率不宜小于3.0Hz。本工程楼盖竖向振动频率满足此条要求。

峰值加速度控制

人行走引起的楼盖振动的峰值加速度计算和限值如下式：

式中，— 接近楼盖结构自振频率时人们行走产生的作用力（KN）；

— 人们行走产生的作用力（KN）；

— 结构阻尼比；

— 楼盖阻抗有效重量（KN）；

— 重力加速度（9.8）；

— 楼盖振动峰值加速度限值（9.8）。

计算时，参照相关资料，取0.3KN，取0.05，得：

所以，本工程人行走引起得楼盖振动峰值加速度小于办公环境下的峰值加速度要求0.005。

5、结构中震计算结果及分析

由于本工程悬臂长度较大，对与悬臂桁架相连的框架柱墙设置了中震下的性能目标：中震弹性。本工程中震用SATWE程序计算，中震动参数取规范值：特征周期Tg＝0.45s，αmax＝0.23。中震下构件的计算时，与悬臂桁架相连的剪力墙在底部加强区为小偏拉构件。为此在剪力墙的端部设置型钢，摘出剪力墙的设计内力，按型钢剪力墙偏心受拉截面设计。

6、结构大震计算结果及分析

由于悬挑部分结构的冗余度很低，没有多道防线，对于承受悬挑部分重量的主要构件：悬挑部分受拉的斜杆，保证大震下受拉不屈服；与悬挑部分相连的墙柱，保证大震下受剪不屈服。

桁架悬挑部分受拉斜杆大震作用分析时，此部分大震分析用ETABS程序计算，大震动参数取规范值：特征周期Tg＝0.50s，αmax＝0.50。在分析计算中不考虑板的效应，板厚输入为0。由于本工程平面规则对称，选取一榀典型桁架内力图进行分析。悬臂桁架及向内部延伸部分的腹杆在水平地震和竖向地震作用下的轴力，恒载、活载工况下杆件内力。从以上的计算结果可以看出：六~七层间、十一~屋面层间桁架斜杆受力最大，再对其一根腹杆内力做简要分析。

四、针对结构不规则情况采取的加强措施

本工程竖向不规则，为较少见的长悬臂结构，为此结构设计作了许多分析和设计，确保结构具有很好的承载能力和延性，满足我国抗震规范设防目标：小震不坏，中震可修，大震不倒。

1、结构计算分析

1）采用两种不用力学模型的三维空间分析软件SATWE和ETABS，进行整体结构内力与位移计算和比较，确保计算分析结果的真实可靠；

2）采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充计算，地震波选用PKPM程序自带的两条天然波（TH2TG045、TH4TG045）和一条人工波（RH1TG045）；

3）悬挑部分考虑竖向地震作用；

4）悬挑部分楼面板采用考虑面内刚度的弹性膜单元，楼板按应力分析结果进行设计；

5）悬挑部分考虑整体升温和降温引起的温度应力，并参与多遇地震组合。

2、基于性能的抗震设计

针对本工程悬挑长度较长，悬挑楼层较多，对悬挑结构的关键部位提出较高的性能设计目标。

3、特殊部位楼面板处理

悬臂部分楼面板厚100mm，双层双向配筋，每层每方向配筋率不小于0.25％，保证板具有足够的水平刚度，有效传递水平力。

4、提高结构延性

在满足承载能力计算的前提下，在结构体系中的关键部位如主楼周边落地框架柱、悬挑部分及与其相连的框架柱墙采用型钢混凝土构件以提高其承载力和延性。

五、结论

根据概念设计理念，运用多种计算手段，完成了对本不规则工程的结构分析。结果表明：本工程在地震作用下的变形符合相关规范的要求，重要受力构件具有较好的安全储备。当采用相应的构造措施后，结构的延性也会得到有效的保证。

参考文献：

[1]甄庆华.广州某超高层建筑结构设计的关键性问题研究[D].华南理工大学.2011．

[2]陶忠.张耀春.韩林海.王光远．关于高层建筑结构选型设计的初步探讨[J].哈尔滨建筑大学学报.2013．