某悬挑钢框架结构的设计

贾 绍 雷

(深圳市国腾建筑设计咨询有限公司，上海 200336)



某悬挑钢框架结构的设计

贾 绍 雷

(深圳市国腾建筑设计咨询有限公司，上海 200336)

采用PKPM和ETABS结构设计软件,对某悬挑钢框架结构进行了计算分析，确定了悬挑钢框架结构及其与主体结构相连构件的抗震性能目标，得出悬挑钢框架结构在不同地震水准作用下均安全可靠，正常使用工况下挠度满足规范要求的结论。

悬挑钢框架结构，抗震性能目标，地震水准，PKPM

钢结构具有重量轻，施工速度快，强度高，抗震性能好的优点，近年来，已经在大跨度屋盖、连桥、悬挑结构中得到广泛应用。其中，悬挑钢结构能够有效解决单边长悬挑形式的建筑造型，实现建筑师的设计理念。以上海市某商业建筑为例，对该项目中与主体结构相连接的悬挑钢结构部分进行了结构计算分析。

1 项目概况

本工程为商业建筑，总高41.5 m，地下2层，地上8层，地上建筑面积为11 294 m2，主体结构采用了框架—剪力墙结构体系，在建筑的西北侧采用了悬挑钢结构与主体结构相连，最大悬挑长度为24 m，项目的难点为悬挑钢结构的设计。

结构设计使用年限为50年，安全等级为二级，结构重要性系数1.0。抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0.1g，抗震设防类别为重点设防类(乙类)，设计地震分组为第一组；场地类别为Ⅳ类，特征周期为0.9 s[1]，结构阻尼比取0.05，结构小震下周期折减系数为0.8，地下室顶板作为上部结构的嵌固端。乙类建筑应按本地区抗震提高1度的要求加强其抗震措施，因而框架抗震等级[2]为二级，剪力墙抗震等级[2]为一级。本工程基本风压为0.55 kPa,地面粗糙度按B类，风荷载体型系数取1.3。

2 悬挑结构布置

1)悬挑部分采用钢框架结构，受整体建筑布局影响，悬挑结构布置为双向悬挑，交汇在轴，并设置5根钢斜撑，共同承担倾覆力矩，详见图1，图2。同时斜撑的设置可以有效的提高悬挑钢结构的强度和刚度，有利于钢框架结构各项指标满足规范要求。

悬挑部分位于建筑的L4层～L8层，其中斜撑穿越L4层～L6层，斜撑的角度均为57°，见图1。斜撑平面布置见图2，图3为钢框架三的剖面图，钢框架三的悬挑长度为23.69 m。斜撑两端与悬挑钢框架及主体结构均采用了刚接的做法。

2)悬挑方向钢框架主梁均为箱形钢梁，其余钢梁均为热轧H形钢梁，钢柱均为箱形钢柱，斜撑为箱形钢斜撑，楼板采用压型钢板组合楼板。在L4层及L7层楼板平面内设置钢水平支撑，以保证悬挑结构平面内的刚度钢材强度等级均为Q345B。

3 悬挑结构传力机理

悬挑结构正常使用工况及地震作用工况下整体倾覆力矩通过钢框架梁及钢斜撑传递到型钢混凝土柱，通过节点处弯矩平衡，分配到对应的型钢混凝土梁，并进一步传递到远端的型钢混凝土柱；悬挑结构正常使用工况下的竖向荷载则由型钢混凝土柱传递到基础。

4 悬挑结构抗震性能目标

建筑抗震设防类别属重点设防类，位于角部的悬挑结构属于抗震薄弱环节，需要进行性能化设计，以确保悬挑结构在不同地震水准作用下均处于安全的状态。

结合建筑高度，悬挑层数，悬挑长度，悬挑做法等因素，按文献[2]要求将悬挑结构及其与主体结构相连构件抗震性能目标设为D级，即在多遇地震作用下各构件均保持弹性，在设防烈度地震作用下各竖向构件抗剪及抗弯不屈服，在预估的罕遇地震作用下竖向构件抗剪截面满足规范要求，主体结构的型钢混凝土柱不屈服，允许部分竖向构件进入屈服阶段。

5 悬挑结构计算分析

采用PKPM软件对悬挑结构在小震，中震，大震及水平风向工况下受力情况进行了计算分析。采用ETABS软件对结构正常使用工况下的挠度进行了计算，同时对悬挑部分按文献[2]进行了竖向上浮风荷载计算。

悬挑钢结构需要各构件安装完毕，刚度整体形成后才能承受自身重量及其他附加荷载，因而PKPM计算时采用了一次性加载模式来考虑该悬挑钢结构的受力。

5.1 多遇地震作用分析

1)整体结构周期分析。

对整体结构进行了计算，得到结构振动周期，提取前6阶周期值如表1所示。

表1 结构周期

从表1可以看出，结构前三阶周期均处于地震影响系数曲线平台段，导致整体结构地震力较大。

结构前三阶振型均为整体结构的平动和扭转，可见悬挑钢框架结构刚度大，能够与主体结构协同受力。第四振型为平动，结合整体结构三维振动简图，可见塔楼中段楼层呈凹凸型弯曲，悬挑段则呈现出竖向平动的趋势，与剖面为倒L形结构的第一振型相似。第四振型的频率为3.52 Hz,大于3 Hz,满足舒适度的要求。组合楼板中钢梁截面尺寸较大，挠度小，可以忽略楼板振动问题。

如表2所示，X向地震作用下第四振型的有效质量参与系数达到10.37%，需要注意地震作用下该竖向平动引起的倾覆弯矩，因而在考虑竖向地震工况的同时，计算中P—Δ效应带来的内力放大效应。

表2 结构振型质量参与系数

2)多遇地震作用内力分析。

多遇地震工况下，悬挑结构中钢柱，钢梁，钢斜撑及与悬挑结构相连接的型钢混凝土梁和型钢混凝土柱受力均满足规范要求，处于弹性状态。钢斜撑最大应力比为0.71，钢框架梁最大应力比为0.86，钢柱的应力比为0.73，钢构件应力比均不超过0.9。型钢混凝土柱均为构造配筋率0.8%，型钢混凝土梁最大配筋率2.39%，其中屋顶层型钢混凝土梁配筋最大。

5.2 设防烈度地震作用内力分析

按照中震不屈服的要求对悬挑结构及其连接构件进行了分析。

中震不屈服条件下钢斜撑最大应力比为0.72，钢框架梁最大应力比为0.75，钢柱的应力比为0.68，型钢混凝土柱均为构造配筋率0.8%,型钢混凝土梁最大配筋率1.74%。计算结果显示，总体上中震不屈服条件下钢构件的应力比小于多遇地震工况下的应力比。

5.3 罕遇地震作用内力分析

罕遇地震下的特征周期为1.1 s，不考虑周期折减。

计算结果表明型钢混凝土柱满足大震不屈服的要求，配筋率在0.8%，仍处于弹性状态，普通钢柱处于不屈服的状态，而型钢混凝土梁作为耗能构件，部分已经进入屈服阶段。

5.4 正常使用工况挠度计算

正常使用工况下挠度验算采用了ETABS软件。恒荷载+活荷载标准值组合工况下悬挑钢结构L4层端部的挠度值，柱底最大为48 mm，按照悬挑跨度24 m考虑，则挠度与跨度比为1/500，满足文献[3]中对主梁或桁架1/400的要求。

活荷载标准值工况下柱底最大为15 mm。按照悬挑跨度24 m考虑，则挠度与跨度比为1/1 600，满足钢结构规范中对主梁或桁架1/500的要求。

5.5 悬挑结构上浮风荷载计算

考虑到悬挑结构存在向上的风吸力，按文献[2]4.2.8条的风载体型系数进行了竖向上浮风荷载计算，风荷载体型系数取2.0，近似模拟风振时程分析。通过在ETABS软件模型中L4层楼板施加向上的风荷载来实现。

向上风荷载引起的挠度值在2 mm，同时整体上悬挑结构在恒荷载+1.4倍向上风荷载组合作用下钢结构构件应力比不足0.3，可知向上风荷载不是控制工况，对结构影响较小。

6 结语

通过对悬挑结构在多遇地震、设防烈度地震、预估的罕遇地震及风荷载下进行计算分析，表明悬挑钢结构在地震作用及风工况下均处于安全状态，正常使用阶段挠度满足限值要求，悬挑结构及其连接构件能够较好的实现预定的抗震性能目标。

上述计算也表明，钢结构在长悬挑结构中具有较大优势，容易满足建筑师对各种新颖造型的要求，可以在实践中进一步推广应用。

[1] DGJ 08—9—2013,建筑抗震设计规程[S].

[2] JGJ 3—2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3] GB 50017—2003,钢结构设计规范[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

贾绍雷(1983- )，男，硕士，工程师

TU318

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