賈 紹 雷

(深圳市國騰建筑設計咨詢有限公司，上海 200336)

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某懸挑鋼框架結構的設計

賈 紹 雷

(深圳市國騰建筑設計咨詢有限公司，上海 200336)

采用PKPM和ETABS結構設計軟件,對某懸挑鋼框架結構進行了計算分析，確定了懸挑鋼框架結構及其與主體結構相連構件的抗震性能目標，得出懸挑鋼框架結構在不同地震水準作用下均安全可靠，正常使用工況下?lián)隙葷M足規(guī)范要求的結論。

懸挑鋼框架結構，抗震性能目標，地震水準，PKPM

鋼結構具有重量輕，施工速度快，強度高，抗震性能好的優(yōu)點，近年來，已經(jīng)在大跨度屋蓋、連橋、懸挑結構中得到廣泛應用。其中，懸挑鋼結構能夠有效解決單邊長懸挑形式的建筑造型，實現(xiàn)建筑師的設計理念。以上海市某商業(yè)建筑為例，對該項目中與主體結構相連接的懸挑鋼結構部分進行了結構計算分析。

1 項目概況

本工程為商業(yè)建筑，總高41.5 m，地下2層，地上8層，地上建筑面積為11 294 m2，主體結構采用了框架—剪力墻結構體系，在建筑的西北側(cè)采用了懸挑鋼結構與主體結構相連，最大懸挑長度為24 m，項目的難點為懸挑鋼結構的設計。

結構設計使用年限為50年，安全等級為二級，結構重要性系數(shù)1.0。抗震設防烈度為7度，基本地震加速度為0.1g，抗震設防類別為重點設防類(乙類)，設計地震分組為第一組；場地類別為Ⅳ類，特征周期為0.9 s[1]，結構阻尼比取0.05，結構小震下周期折減系數(shù)為0.8，地下室頂板作為上部結構的嵌固端。乙類建筑應按本地區(qū)抗震提高1度的要求加強其抗震措施，因而框架抗震等級[2]為二級，剪力墻抗震等級[2]為一級。本工程基本風壓為0.55 kPa,地面粗糙度按B類，風荷載體型系數(shù)取1.3。

2 懸挑結構布置

1)懸挑部分采用鋼框架結構，受整體建筑布局影響，懸挑結構布置為雙向懸挑，交匯在軸，并設置5根鋼斜撐，共同承擔傾覆力矩，詳見圖1，圖2。同時斜撐的設置可以有效的提高懸挑鋼結構的強度和剛度，有利于鋼框架結構各項指標滿足規(guī)范要求。

懸挑部分位于建筑的L4層～L8層，其中斜撐穿越L4層～L6層，斜撐的角度均為57°，見圖1。斜撐平面布置見圖2，圖3為鋼框架三的剖面圖，鋼框架三的懸挑長度為23.69 m。斜撐兩端與懸挑鋼框架及主體結構均采用了剛接的做法。

2)懸挑方向鋼框架主梁均為箱形鋼梁，其余鋼梁均為熱軋H形鋼梁，鋼柱均為箱形鋼柱，斜撐為箱形鋼斜撐，樓板采用壓型鋼板組合樓板。在L4層及L7層樓板平面內(nèi)設置鋼水平支撐，以保證懸挑結構平面內(nèi)的剛度鋼材強度等級均為Q345B。

3 懸挑結構傳力機理

懸挑結構正常使用工況及地震作用工況下整體傾覆力矩通過鋼框架梁及鋼斜撐傳遞到型鋼混凝土柱，通過節(jié)點處彎矩平衡，分配到對應的型鋼混凝土梁，并進一步傳遞到遠端的型鋼混凝土柱；懸挑結構正常使用工況下的豎向荷載則由型鋼混凝土柱傳遞到基礎。

4 懸挑結構抗震性能目標

建筑抗震設防類別屬重點設防類，位于角部的懸挑結構屬于抗震薄弱環(huán)節(jié)，需要進行性能化設計，以確保懸挑結構在不同地震水準作用下均處于安全的狀態(tài)。

結合建筑高度，懸挑層數(shù)，懸挑長度，懸挑做法等因素，按文獻[2]要求將懸挑結構及其與主體結構相連構件抗震性能目標設為D級，即在多遇地震作用下各構件均保持彈性，在設防烈度地震作用下各豎向構件抗剪及抗彎不屈服，在預估的罕遇地震作用下豎向構件抗剪截面滿足規(guī)范要求，主體結構的型鋼混凝土柱不屈服，允許部分豎向構件進入屈服階段。

5 懸挑結構計算分析

采用PKPM軟件對懸挑結構在小震，中震，大震及水平風向工況下受力情況進行了計算分析。采用ETABS軟件對結構正常使用工況下的撓度進行了計算，同時對懸挑部分按文獻[2]進行了豎向上浮風荷載計算。

懸挑鋼結構需要各構件安裝完畢，剛度整體形成后才能承受自身重量及其他附加荷載，因而PKPM計算時采用了一次性加載模式來考慮該懸挑鋼結構的受力。

5.1 多遇地震作用分析

1)整體結構周期分析。

對整體結構進行了計算，得到結構振動周期，提取前6階周期值如表1所示。

表1 結構周期

從表1可以看出，結構前三階周期均處于地震影響系數(shù)曲線平臺段，導致整體結構地震力較大。

結構前三階振型均為整體結構的平動和扭轉(zhuǎn)，可見懸挑鋼框架結構剛度大，能夠與主體結構協(xié)同受力。第四振型為平動，結合整體結構三維振動簡圖，可見塔樓中段樓層呈凹凸型彎曲，懸挑段則呈現(xiàn)出豎向平動的趨勢，與剖面為倒L形結構的第一振型相似。第四振型的頻率為3.52 Hz,大于3 Hz,滿足舒適度的要求。組合樓板中鋼梁截面尺寸較大，撓度小，可以忽略樓板振動問題。

如表2所示，X向地震作用下第四振型的有效質(zhì)量參與系數(shù)達到10.37%，需要注意地震作用下該豎向平動引起的傾覆彎矩，因而在考慮豎向地震工況的同時，計算中P—Δ效應帶來的內(nèi)力放大效應。

表2 結構振型質(zhì)量參與系數(shù)

2)多遇地震作用內(nèi)力分析。

多遇地震工況下，懸挑結構中鋼柱，鋼梁，鋼斜撐及與懸挑結構相連接的型鋼混凝土梁和型鋼混凝土柱受力均滿足規(guī)范要求，處于彈性狀態(tài)。鋼斜撐最大應力比為0.71，鋼框架梁最大應力比為0.86，鋼柱的應力比為0.73，鋼構件應力比均不超過0.9。型鋼混凝土柱均為構造配筋率0.8%，型鋼混凝土梁最大配筋率2.39%，其中屋頂層型鋼混凝土梁配筋最大。

5.2 設防烈度地震作用內(nèi)力分析

按照中震不屈服的要求對懸挑結構及其連接構件進行了分析。

中震不屈服條件下鋼斜撐最大應力比為0.72，鋼框架梁最大應力比為0.75，鋼柱的應力比為0.68，型鋼混凝土柱均為構造配筋率0.8%,型鋼混凝土梁最大配筋率1.74%。計算結果顯示，總體上中震不屈服條件下鋼構件的應力比小于多遇地震工況下的應力比。

5.3 罕遇地震作用內(nèi)力分析

罕遇地震下的特征周期為1.1 s，不考慮周期折減。

計算結果表明型鋼混凝土柱滿足大震不屈服的要求，配筋率在0.8%，仍處于彈性狀態(tài)，普通鋼柱處于不屈服的狀態(tài)，而型鋼混凝土梁作為耗能構件，部分已經(jīng)進入屈服階段。

5.4 正常使用工況撓度計算

正常使用工況下?lián)隙闰炈悴捎昧薊TABS軟件。恒荷載+活荷載標準值組合工況下懸挑鋼結構L4層端部的撓度值，柱底最大為48 mm，按照懸挑跨度24 m考慮，則撓度與跨度比為1/500，滿足文獻[3]中對主梁或桁架1/400的要求。

活荷載標準值工況下柱底最大為15 mm。按照懸挑跨度24 m考慮，則撓度與跨度比為1/1 600，滿足鋼結構規(guī)范中對主梁或桁架1/500的要求。

5.5 懸挑結構上浮風荷載計算

考慮到懸挑結構存在向上的風吸力，按文獻[2]4.2.8條的風載體型系數(shù)進行了豎向上浮風荷載計算，風荷載體型系數(shù)取2.0，近似模擬風振時程分析。通過在ETABS軟件模型中L4層樓板施加向上的風荷載來實現(xiàn)。

向上風荷載引起的撓度值在2 mm，同時整體上懸挑結構在恒荷載+1.4倍向上風荷載組合作用下鋼結構構件應力比不足0.3，可知向上風荷載不是控制工況，對結構影響較小。

6 結語

通過對懸挑結構在多遇地震、設防烈度地震、預估的罕遇地震及風荷載下進行計算分析，表明懸挑鋼結構在地震作用及風工況下均處于安全狀態(tài)，正常使用階段撓度滿足限值要求，懸挑結構及其連接構件能夠較好的實現(xiàn)預定的抗震性能目標。

上述計算也表明，鋼結構在長懸挑結構中具有較大優(yōu)勢，容易滿足建筑師對各種新穎造型的要求，可以在實踐中進一步推廣應用。

[1] DGJ 08—9—2013,建筑抗震設計規(guī)程[S].

[2] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S].

[3] GB 50017—2003,鋼結構設計規(guī)范[S].

The design of a cantilever steel frame structure

Jia Shaolei

(Shenzhen Guoteng Architectural Design Consulting Limited Company, Shanghai 200336, China)

A cantilever steel frame structure was analysis with the structural software of PKPM and ETABS, and then fixed the seismic performance objectives of cantilever structure and which was connected with it, finally the results showed that it was safe and reliable under different seismic performance levels of the sturcture, and the deflection of the structure was in allowable value.

cantilever steel frame structure, seismic performance objectives, seismic performance, PKPM

1009-6825(2017)12-0045-02

2017-02-11

賈紹雷(1983- )，男，碩士，工程師

TU318

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