罗杰
广东德晟建筑设计研究院 广东珠海 519000
摘要: 某高层项目地上由3栋塔楼形成一组山形连体建筑，连体位置选用同时带撑杆和拉杆的大悬臂桁架结构，最大悬臂约21米，属超长悬挑结构类型的超限高层建筑。根据现行规范确定性能目标，采用不同计算软件进行整体结构分析，包括重现期为50年的风荷载分析、小震弹性、小震弹性时程分析、中震分析、大震等效弹性分析、大震pushover及动力弹塑性计算方法，对结构关键构件进行详细研究，大跨悬臂钢结构进行二道防线设计，并考虑施工顺序的影响，对悬臂桁架结构进行楼板舒适度分析，并提出相应的处理方案和措施，保证结构的抗风和抗震承载能力。
关键词 超长悬挑结构 抗震性能 舒适度 二道防线
1. 工程概况
某高层项目地上建筑由3栋塔楼及裙房组成，塔楼结构主体高度为82.2m~91.5m。地上建筑形成一组山形连体建筑，三楼塔楼处形成山峰，连接体之间形成山谷，两处连接体下方为拱形造型。结构根据建筑造型，连体位置选用同时带撑杆和拉杆的大悬臂桁架结构，最大悬臂约21米。在连体中间设缝脱开，形成三楼独立的主体结构。
图1 项目效果图
2. 抗震设防
2.1 抗震等级
结合本工程体系特点，三楼塔楼为框架-剪力墙结构，底部加强部位和非底部加强部位剪力墙抗震等级均为二级，框架柱抗震等级均为二级；悬臂钢桁架区域：撑杆、拉杆、水平受力构件、钢柱由三级提高为二级，其余钢桁架为三级，与其相连的型钢混凝土柱、相邻两跨框架梁的抗震等级提高至一级。
2.2 结构抗震性能目标
结构抗震性能目标按照广东省《高规》（DBJ15-92-2013）执行。 设定抗震性能目标为C级；另外，对于关键构件中的框支梁、框支柱和悬臂桁架，提高其中震作用下的性能水准为2，大震作用性能水准为3。
2.3 构件抗震性能目标
表1 钢构件 （悬臂桁架的斜撑（拉杆、压杆），钢柱以及钢梁）抗震性能目标
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3. 施工顺序说明
本工程三楼塔楼在中间楼层均设有大跨度钢结构悬臂桁架，悬臂结构上、下均设有斜撑（拉杆和撑杆），结构复杂，构件内力受施工顺序及荷载施加方式影响较大，因此须对施工顺序作出一定要求，以保证结构受力满足设计意图及整个施工过程的安全。
施工顺序应满足以下要求：
1. 主体塔楼结构和楼板随楼层的高度逐层建造，并预留钢结构埋件。
2. 主体塔楼施工至悬臂桁架楼层（与拉杆连接楼层）以上两层时，悬臂桁架的钢结构（不含混凝土楼板）逐层施工。
3. 悬臂桁架钢骨架整体施工完成后，逐层浇筑混凝土楼板。
程序计算参数中选择“构件级施工次序”，并按上述要求定义构件的施工次序，进行结构分析和设计。
4. 塔楼连体位置抗震缝宽度说明
本工程三栋塔楼连体位置交接处在弹性大震作用下位移均约为200mm，考虑到大震作用下均同时出现最不利位移且为反向的概率很低，故缝宽取《抗规》计算缝宽的1.5倍（《抗规》计算缝宽约为200mm）,故缝宽最终取为300mm。
5. 结构体系
本文以1#塔楼为例，该塔楼结构高度82.10米，塔楼地上20层，地下2层。
结构主要特点如下：
1、 A级高度高层建筑；
2、 塔楼7~11层东侧设有同时带撑杆和拉杆的钢结构超长悬臂桁架，最长悬臂约20米；
3、 根据建筑造型，塔楼为山形建筑，西侧第8层以上结构构件逐层局部斜柱收进，悬臂侧（东侧）为第13层以上结构构件逐层局部斜柱收进；
塔楼的三维模型如图2所示。
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图2 1#楼三维模型
6. 抗震性能设计
6.1小震弹性分析
本项目采用SATWE、YJK和ETABS三种程序计算所得结果相近，表明计算结果合理、有效，计算模型符合结构实际工作状况；模型两个方向的周期和振动特性较为接近；水平力作用下的层间位移角满足广东省高规第3.7.3 条要求，剪力墙结构最大层间位移角限值为1/650；最小剪重比满足广东省高规第4.3.12条的要求，小震计算不需调整楼层地震力。考虑偶然偏心影响，在规定水平地震作用下，最大扭转位移比1.43（第10层），大于1.35且小于1.5，属Ⅱ类扭转不规则。
6.2中震分析
本工程设防烈度下设定为第3性能水准，考虑到钢结构悬臂桁架的重要性，将悬臂桁架的斜撑（拉杆、压杆），钢柱以及主要的钢梁提高至第2性能水准。以下采用弹性分析对构件进行中震作用下的承载力校核，考虑到结构的部分构件实际已经进入弹塑性阶段，计算时阻尼比增加0.01，连梁刚度折减系数取0.5。
通过对各类构件中震下抗震性能的分析及复核，表明本工程可满足C级的中震抗震性能目标。
6.3大震分析A（静力弹塑性计算方法）
为量化规范要求的“大震不倒”设防目标及复核大震时关键构件的性能水准，采用PUSH程序 （PKPM2010 V5.1版）分别对建筑物在X、Y两个方向罕遇地震作用下进行静力弹塑性推覆分析。
结果显示，在预估的罕遇地震作用下，结构X，Y方向的基底剪力分别为小震的3.50，3.23倍，说明在大震时构件损伤导致结构出现明显的刚度退化，结构阻尼有较大增长。性能点处各层弹塑性位移角最大值小于1/125，满足要求。以能力谱曲线判断，从性能点至规范层间位移角段，结构无明显刚度陡降退化，塑性发展均匀连续，结构有较好的抗震延性与耗能能力。能力谱均与需求谱相交，相交后呈现斜率逐渐减小的上升趋势，结构仍处于轻度上升与塑性继续发展的阶段，结构具有一定的抗倒塌能力与能量储备。
6.4大震分析B（动力弹塑性计算方法）
本工程采用SAUSAGE软件进行了罕遇地震作用下的动力弹塑性分析。依据结构大震反应谱和基底剪力选取三条地震波。分别采用三组地震波进行三向加载，三个方向峰值加速度分别等比例调整为220cm/s2、187cm/s2和143cm/s2。
钢构件由于整个截面都是钢材，其塑性变形从截面边缘向内部逐渐发展，基本上可根据边缘纤维的塑性应变大致估计截面内部各点处的应变水平。钢筋混凝土构件截面上的钢筋一般分布在截面的外围，一旦屈服可认为整根钢筋发生全截面屈服。钢构件的塑性应变可同时考察拉应变与压应变，钢筋混凝土构件中的钢筋一般主要考察受拉塑性应变。剪力墙构件由“多个细分混凝土壳元+分层分布钢筋+两端约束边缘构件杆元”共同构成。考虑到剪力墙的初始轴压比通常为0.5~0.6，当部分横截面受压损伤达到一定程度时，构件仍保持有足够的整体抗压和抗剪承载能力，仍可承担重力荷载，因此以剪力墙按面积加权计算得到的受压损伤作为其性能评估的主要判断标准。连梁和楼板的损坏程度判别标准与剪力墙类似，楼板以承担竖向荷载为主，且具有双向传力性质，小于半跨宽度范围内的楼板受压损伤达到0.6时，尚不至于出现严重损坏而导致垮塌。
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图3框架柱和支撑构件性能云图 图4 悬挑桁架构件性能水平
分析结果表明：
（1）三条地震波分析结果合理，符合预期；
（2）结构最大层间位移角为1/131，满足大震弹塑性层间位移角限值要求；
（3）结构底部和第10层剪力墙收进区域剪力墙发生轻度损伤，少量剪力墙达到中度损伤；
（4）悬挑桁架相连混凝土构件钢筋均未发生屈服，楼板钢筋均未发生屈服；悬挑桁架钢构件均保持弹性，处于无损坏状态。
（5）框支梁和框支柱损伤程度较低，处于轻微或轻度损坏；
（6）框架梁发生轻微到中度损伤，部分构件端部损伤程度较大；
（7）由于结构顶部鞭梢效应明显，第19~22层框架柱全截面配筋率提高到1.5%。
综上分析，结构整体抗震性能良好，与预期性能目标吻合。结构第6~12层存在钢结构悬挑桁架，分析结果表明，悬挑桁架相连混凝土构件钢筋均未发生屈服，楼板钢筋均未发生屈服；悬挑桁架钢构件均保持弹性，处于无损坏状态。
7. 悬臂桁架结构楼板舒适度分析
本项目塔楼之间连体部分功能为酒店或空中连廊，为大跨度悬臂钢结构，采用的是钢-混凝土组合楼盖体系，混凝土板厚为130mm。
对于低频率的结构，例如轻质大跨楼板，其最大的振动是由与结构自振频率有关的频繁步行力而引起的共振。为了避免发生共振，国内外针对楼盖结构竖向舒适度通过竖向频率和竖向振动加速度两个参数来衡量。本项目悬臂部分为钢-混凝土组合楼盖，拟定目标为竖向频率不小于 4Hz。局部加强结构刚度，使其满足既定竖向频率目标。
行走激励的荷载执行《建筑楼盖结构振动舒适度技术规范》第5章相关规定，在所分析结构不利振动区域施加一定持续时间的步行激励。分析时荷载时长不低于15s。经计算该层的结构频率为f1=7.038Hz,步行频率计算取2.2Hz，步行激励曲线如图所示。
当一人通过走廊从西往东走。时程楼板峰值加速度最大值为0.033 m/s2 。当二人同时在最远端房间往返行走时，时程楼板峰值加速度最大值为0.044 m/s2 。均满足广东省《高规》及《建筑楼盖结构振动舒适度技术规范》相关要求。
8. 可接受的最大挠度限制
按《钢标》GB 50017-2017附录B要求：主梁或桁架的挠度限制为l/400，而在计算悬臂构件时，l按实际悬臂长度的2倍取用。故就本工程为例，酒店客房位置：22米的悬臂楼板的最大挠度限制应为110mm，为确保住客的舒适度，挠度限制应控制在55mm；悬臂桁架位置：21米的悬臂楼板的最大挠度限制应为105mm，为确保使用的舒适度，挠度限制应控制在70mm。
9. 大跨悬臂钢结构二道防线分析
由于悬臂桁架结构是主要承重结构，所以抗震性能目标为中震弹性及大震不屈服，确保大震下不发生剪切破坏。为确保悬臂楼层的安全，于重要楼层加入下部斜撑杆和上部斜拉杆作为加强措施。分析时考虑到如果没有下部斜撑杆（仅拉杆）或没有上部斜拉杆（仅撑杆），恒载+活载作用下也不会产生破坏。
下部斜撑杆在钢柱内灌注C60等级的混凝土，提供承载力。在仅撑杆情况下，撑杆轴力N=8190KN，应力比为0.58；考虑在斜钢柱内灌注C60等级的混凝土后，轴力为N=9028KN，应力比为0.40。
悬臂桁架结构满足抗震性能目标，且撑杆、拉杆均满足二道防线要求，对撑杆斜钢住内灌注C60砼后，可有效减小钢构件应力。
10. 结语
综上所述，本工程属超长悬挑结构类型的超限高层建筑。根据现行规范确定性能目标，采用不同计算软件进行整体结构分析，并提出相应的处理方案和措施，保证结构的抗风和抗震承载能力。分析结果表明，结构各项指标满足规范要求。
参考文献
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