多高层建筑大悬挑结构整体性能指标的解决途径

多高层建筑大悬挑结构整体性能指标的解决途径　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｔｏ　Ｏｖｅｒａｌｌ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ　ｏｆ　Ｌａｒｇｅ　Ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ　Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ　ａｎｄ　Ｈｉｇｈ－ｒｉｓｅ　Ｓｔｍｃｈｌｒｅｓ　徐建设，张卉，南建林，贺天海　（中国建筑科学研究院上海分院，上海２０００２３）　ＸＵＪｉａｎ－ｓｈｅ，ＺＨＡＮＧ　Ｈｕｉ，ＮＡＮ　Ｊｉａｎ－ｌｉｎ，ＨＥ　Ｔｉａｎ－ｈａｉ　（ＣＡＢＲＳｈａｎｇｈａｉＢｒａｎｃｈ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００２３，Ｃｈｉｎａ）　【摘　要】对大悬挑结构和常规结构的各项整体性能指标进行了比较，并以实际工程为例，将这些指标分为关键控制指标和非关键　指标两类，将层间位移角及其差异作为关键控制指标进行严格限制，将质量分布、周期、楼层刚度比、地震作用等作为非关键指标进　行适当控制，使得大悬挑结构的设计具有更大的可操作性。　【Ａｂｓｔｒａｃｔ］ｈａｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｏｖｅｒａｌｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｏｆｂｏｈｔｌａｒｇｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｎｄｎｏｒｍａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔａｋｉｎｇａｐｒｏｊｅｃｔ　ａｓ　ａｌｌ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ　ｒａｅ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｎａｄ　ｎｏｎ－ｃｒｉｉｔｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎｄｉｃａｔｏｒｓ．Ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｎｉｄｉｃａｔｏｒｓ　ｓｕｃｈ　ｓａ　ｓｔｏｒｙ　ｄｒｉｔｆ　ｒａｔｉｏｓ　ｎａｄ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｄｉｆｅｒｅｎｃｅｓａｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　ｓｔｒｉｃｔｌｙ．Ｎｏｎ—ｃｒｉｔｉｃａｌｉｎｄｉｃａｔｏｒｓｓｕｃｈａｓｍａｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｐｅｒｉｏｄ，ｆｌｏｏｒｓｔｉｆｆｎｅｓｓｒａｔｉｏａｎｄｓｅｉｓｍｉｃａｃｔｉｏｎ　ａｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｐｒｏｐｅｒｌｙａｎｄｔｈｅｒｅｆｏｒｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｌａｒｇｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｉｌｌｂｅｍｏｒｅｏｐｅｒａｂｌｅ．　【关键词】大悬挑；多高层建筑；整体指标　【Ｋｅｙｗｏｒｄｓ】ｌａｒｇｅｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ；ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒａｎｄｈｉｇｈ．ｒｉｓｅｂｕｉｌｉｄｎｇ；ｏｖｅｒａｌｌｉｎｄｉｃｔａｏｒ　【中图分类号】Ｔｕ３１８　【文献标志码】Ｂ　【文章编号】１００７．９４６７（２０１４）０１．００６１．０５　１引言　与常规多高层结构有较大区别，主要是因竖向刚度突变而引　近年来，国内外出现了大量大悬挑结构，其立面和空间的　起的相关指标的变化。现以镇江职工文体活动中心Ｂ楼的结　凸凹效果及丰富变化，受到很多建筑师的青睐。这类结构的悬　构实例对其整体性能指标进行比较。该工程地下１层，地上７　挑跨度普遍超过了《高层建筑混凝土结构技术规程》（ＪＧＪ３—　层（层高分别为６．Ｏｍ，５．６ｍ，５．１ｍ，５．１ｍ，８．４ｍ，６．１ｍ，５．７ｍ，　２０１０）第３．５．５条规定的“水平外挑尺寸不宜大于４ｍ”的规定，　５．１ｍ），其中顶部两层（６层、７层）根据建筑专业要求采用大悬　悬挑跨度超过１０ｍ的已较为常见，最大的悬挑跨度已达７５ｍ　挑结构，水平悬挑跨度达１７．６ｍ（２ｘ８．８ｍ）。地上部分典型结构　（ＣＣＴＶ新址）。与常规结构相比，大悬挑结构在整体洼能指标　剖面如图１所示。结构１￣３层采用钢筋混凝土框架一钢支撑体　（如周期、质量分布、位移、刚度比等）方面有很大的区别，且有　系，局部柱采用型钢混凝土柱。４￣５层及以上采用型钢混凝土　些指标容易超出规范的允许值，本文拟对此类情况从结构布　框架一支撑体系，支撑全部采用交叉钢支撑；６￣７层采用钢框　置调整、重点部位加强、严格控制关键指标等方面给出其解决　架一支撑体系，大悬挑部分采用钢桁架。　途径。　２大悬挑结构整体性能指标与常规结构的比　　ｌＨ　较　　ｌ星Ｉ　５■一瑚０　　２．１实例介绍　］口　１　０，６口Ｏ　—一　ｌ　］口　—］　厂＿＿１　　１大悬挑可引起整体结构性能指标和部分结构构件的受力　厂］　］＿＿『　【作者简介】徐建设（１９７２一），男，山东滕州人，高级工程师，从事建　⑦４　④Ｌ——Ｌ—Ｉ⑤⑥　　自目　＠　—　Ｉ　一—Ｌ＿—　⑩　筑结构设计与研究，（电子信箱）ｂｕｉｌｄｘｕ＠ｌ　６３．Ｃ：ｏｍ。　图１地上部分典型剖面图　６１　Ｉ工程建设与设计　ｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ＆Ｄｅｓ　ＦｏｒＰｒｏｊｅｃｔ　大悬挑下部的楼层（以５层为例）及悬挑层（以６层为例）　的标准结构平面布置图如图２所示，结构平面长度和宽度分　别为６８．Ｏｍ和６８．３ｍ（因４层、５层结构收进，５层结构平面长　度和宽度仅为３３．６ｍ）。　茔　＾　；　一　ｃ　　｛。自　丑　暮　四　●　一　：　三　＿二　］　Ｈ　ｌ］　■Ｍ　ｌｆ　　●ｌ　１　ｌ　ａ　Ｄ　　】１　舢　一　ｉ　口　　『　『ａ　５层结构布置图　ｌ。　ｊ　　ｉｌ　　ｌ　｜　？、　４。　ｉ；ｌ　　：ｊ　；　　ｉｌ¨　＿—：　一遴■－＿・＿＿＿０Ｉ●　ｌ－＿－＿－＿０　＊日　一・＿一－＿■＿　｛　Ｊ●。ｒ－＿。一．—＿　●－＿—一　。＿　　．白。＿—－？～．，一＿　一－｝　　　＿　＿一　。—童ｌ　　一熏ｔ｝　：　一　一一ｎ｝一　｛　｝————一ｔ　旨一—曲　１　盲　Ｌ…斗卜　＿ｈ　＾　ｒ　＾　一一１．　－１　ｊ　、．　ｉ　＿　。——　一　　ＪＢ　｝ｌ　０　　Ｅ　１％＿・　：重　Ｊ　ｍ　１　口　Ｉ　＿４。　　１｛　１　｝　ｂ　６层结构布置图　图２大悬梁楼层结构平面图　作为对比算例，将６层、７层悬挑部分删除，作为比较模型　（常规结构）。将本工程的实际计算模型（大悬挑模型）的各项　整体结构计算指标与比较模型进行对比。　２．２结构质量分布比较　楼层质量及上层与相邻下层质量比见表１。　６２　表１中结构总质量包括荷载产生的总质量和结构自重产　生的总质量。　表１楼层质量及下层与相邻上层质量比　由表１可以看出：　１）比较模型的相邻上下层质量比一般均小于１．０，最大为　１．０８；　２）因６层、７层悬挑跨度较大，楼层面积比５层增加较多　（６层建筑面积是５层的３．７７倍），大悬挑模型的６层与５层　的结构质量比达２．０９。由于楼层质量ｂＬ（ＩＰ上层楼层质量与相　邻下层楼层质量的比值）大于１５０％时即为竖向不规则类型　（该竖向不规则不计入不规则种类的总数量），因而可根据质　量比判定其为竖向不规则。　２．３结构周期比较　结构前ｌ０个振型对应的周期见表２。　表２前１０个振型对应的周期　由表２可以看出：　１）相对于比较模型，大悬挑模型的结构自振周期明显加　大，第一周期由１．３９６ｓ增加到２．０１６ｓ，增加了４４．４％；　２）大悬挑模型的扭转周期比Ｔ，／Ｔ￣为Ｏ．７３１，明显大于比　较模型（０．４４６），表明大悬挑模型更容易产生扭转。　２．４楼层刚度比较　大悬挑模型的楼层刚度比见表３。　表３大悬挑模型的楼层刚度比　注：ＲａｔＸ。和ＲａｔＹ。分别为Ｘ，Ｙ方向本层塔侧移刚度与上一层相　应塔侧移刚度７０％的比值，ＲａｔＸ。或ＲａｔＹ　的值小于１时，该层为薄弱　层，调整系数为１．１５。　比较模型的楼层刚度、楼层刚度比如表４所示。　表４比较模型的楼层刚度比　由上述数据可以看出：　１）对于大悬挑模型，由于６层开始出现大悬挑，５层变为　薄弱层，其侧向刚度远小于６层。６层与５层的　向侧向刚度　比和ｌ，向侧向刚度比分别达３．２１和４．７；　２）比较模型的侧向刚度比指标较好，未出现薄弱层。　２．５地震作用　将大悬挑模型和比较模型的各层地震作用力（以　向地　震力为例）进行比较如图３所示。　图３两个模型的　方向各层地震作用力对比　由图３可看出：　１）在大悬挑所在的楼层（６层、７层）及其下部邻近楼层，　两个模型的楼层地震作用力相差很大，大悬挑模型的楼层地　震作用力远大于比较模型，但在相距较远的楼层，两个模型的　建筑与结构设计ｌ　Ａ　ｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ帆ｄＳｔｒｕｃｍｒｃｄＤ　ｓ　Ｉｌ　楼层地震作用力的差别明显减小；　２）在靠近底部的楼层，两个模型的楼层地震作用力接近，　其地震剪力亦接近。　２．６层间位移和扭转位移比　经计算，与比较模型相比，大悬挑模型地上各层的层间位　移具有如下特点：　１）大悬挑模型和比较模型的层间位移角绝对数值均较小　（比规范限值小很多），但大悬挑所在楼层及其下部邻近楼层　的层间位移角均明显大于比较模型的相应数值，而对于相邻　较远的楼层，两个模型的层间位移角较为接近；　２）大悬挑所在楼层（６层、７层）的层间位移角大于其下部　相邻楼层；　３）大悬挑模型和比较模型的扭转位移比绝对数值均较小　（均小于１．２），但仍可以看出，大悬挑模型各楼层的扭转位移　比一般大于比较模型相应楼层的数值；　４）大悬挑模型所在楼层（６层、７层）的扭转位移比大于其　下部相邻楼层。　３大悬挑结构整体性能指标的解决途径　由以上各种比较数据和结论可以看出，对于其中所涉及　的几乎所有整体指标，虽然大悬挑模型均相对于比较模型有　不同程度的变差，但仍然符合抗震规范的有关要求，这是通过　一系列的途径予以实现的。　３．１优化结构平面布置　在⑤～⑨轴交⑥—①轴区域（即结构在４层、５层收进后　的区域）地上各层的４个角部通过设置斜撑，形成四个大的“Ｌ　形”，如图４所示，其抗侧体系接近３３．６ｍｘ３３．６ｍ的“简体”，保　证整个结构具有足够大的抗侧刚度。　上述“简体”布置于结构的中部，在６层，７层，其四周悬　挑长度（１６．８ｍ￣１７．６ｍ之间）接近，可尽量减少结构质心和刚心　的距离，从而减小大悬挑引起的扭转效应。　３．２优化联系构件布置，充分加强各悬挑结构的空间　协同作用　６～７层的大悬挑采用钢桁架体系，各榀桁架位置示意图　如图５所示，由于所处位置的不同，每榀钢桁架所受的荷载及　约束条件各不相同，为此在这两层的四周增设周圈桁架，用于　调整荷载的分配途径，如图６所示，跨越两层，高度达１０．８ｍ　６３　Ｉ工程建设与设计　ｌ　ｃｏ埘Ｉｎ　如ｎ＆　增ｎＦｏｒＰｒｏｊｅａ　的周圈桁架具有足够大的竖向刚度，使得整体结构的空间协　整个悬挑区域的竖向荷载传递路径如图７所示。　同作用得到有效加强。　钢支撑　囤　犀　圄　囱　口　口　玉　。雷　　。囡　　。回　　ｆ卤　　Ｉ　Ｉ　　Ｉｉ　Ｉ　Ｌ＿Ⅲ８帅（Ｌ上Ｊ堂０＿４—　—Ｂ４　一　画　吉　目　／＝ｌｋｈ　、　｛　）　（，　ｒ　ｆ　Ｕ　．ｇｘ　Ｌ　／　！　图４⑤～⑨轴交　轴区域支撑布置　啊一它霉葛　…』．ｉ………；　违塞　　｝｛ｉ　　”　ｉ　ｊ１：　一……　墓　｛　？　——　～　　，｝、　每　｛　；　葛　＾　｛　．　＿　葛　－一　—　｝　母　每　垂　』　］　…—・—　．．　’　ｊ　；　ｏ　蔷　＝　一　。　ｉ　暑葛　：．　１　”　１　暑　ｉ　　ＩＢ∞ｏ　∞ｏ０　Ｉ　＊∞Ｊ　　【ｌ　ｌ　嚏。｝　ｍ　图５　６￣７层悬挑桁架位置示意图　…载　二　一…　§　＝妻§　｝　——　“－　・・　§　Ｉ一　一　§　、　‘’。，；’—。　ｅ　售。　一　。＿。。　§　＾　ｘ　々－一　－＿－　§　・一尚＿Ｉ・・　§　ｉ．＼　～　ｌ　—］　　乙盎ｆ■　÷｝ｌ＿ｉ　ｉ　　『＿　ｆｌ　十　。：＼　图７悬挑区域荷载传递途径　采用周圈桁架后，结构在恒载作用下的竖向位移如图８　所示，结构四周悬挑端部的竖向挠度变化较均匀，且挠度的绝　对数值在规范允许范围之内。　一　一目目圈目日圈旨　玉　　禹磊～　图８关键构件的加强　３．３对关键构件予以重点加强　在４个角部的悬挑钢桁架是整个６层、７层结构乃至整个　结构的最关键构件，由于该桁架为跨层桁架，斜腹杆的设置必　定会对建筑的使用功能造成一定影响。　以⑥轴和◎轴的钢桁架为例，如图８所示，悬挑桁架斜腹　杆起初仅设在第７层，即一层高的钢桁架下挂第６层，这样第　６层的建筑使用功能基本不受影响。但经过综合比对分析后，　将原方案的斜腹杆向下延伸至第６层，并改变部分斜撑的方　向，其对结构的加强变现在以下几方面：　１）悬挑钢桁架的高度由一层变为两层，其竖向刚度大大　提高。这样做虽然对建筑造成一定影响，但影响范围有限，而　对结构各方面性能带来的加强效果远远超过其负面效果。对　于像角部悬挑桁架如此至关重要的结构构件，建筑专业必须　为结构专业做出一定让步；　２）悬挑桁架向内部延伸的一跨（即⑤～⑥轴间）内的斜腹　杆因改变布置型式，可与悬挑段的钢桁架形成连续性更好的　桁架，有效将悬挑段的内力向内传递；　３）悬挑桁架所有节点均采用刚接节点，可进一步提高桁　架的刚度；　４）悬挑段的桁架上弦杆（即屋面钢梁）向内延伸时采用梁　贯通式节点（见图９），可充分保证上弦拉力的传递，并避免该　处梁柱连接节点处柱钢板沿厚度方向受拉；　５）除大悬挑范围外，结构其余位置的斜撑亦进行了适当　优化，如将ｘ形或人字形支撑改为单斜撑。　图９悬挑桁架根部与柱连接节点　３．４严格控制层间位移角及各层层间位移角的差异　由第２节可以看出，大悬挑所在楼层无论是质量分布、周　期、楼层刚度、地震作用、层间位移还是扭转位移比等诸多方　面，均与其他楼层有别。由于楼层刚度比和质量分布等指标的　差异均是因大悬挑带来的必然结果，一般情况下是无法避免　的，因而着重从控制层间位移角及各层层间位移角的差异方　面人手，保证大悬挑层与其他楼层在整体指标上的连续性。　对于本章的工程实例，除６层、７层存在大悬挑外，结构　层高的差异亦容易导致层间位移角的差异，如４层因建筑功　能为影城，其层高达８．４ｍ，而５层的层高为６．１ｍ。层间位移角　的调整主要是通过调整支撑刚度来实现。具体调整方法如下：　１）通过在４层的外周圈满布交叉斜撑，并加大支撑截面　（采用Ｈ７００ｍｍｘ４５０ｍｍｘ３０ｍｍｘ８０ｒａｍ），尽量增　４层的抗　侧刚度；　２）因５层层高小于４层，其支撑局部采用单斜撑，适当减　小其支撑刚度；　３）１～３层斜撑均采用单斜撑。　采取上述措施后的支撑布置见图８，经计算，大悬挑所在　楼层的层间位移角虽大于其下部楼层，但增加的幅度并不大，　并且各层的层间位移角均比规范限值小很多，因此可以认为，　整个结构各层在层间位移角指标方面并无突变，本例大悬挑　结构的竖向连续性较好。　建筑与结构设计ｌ　Ａ　ｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌｄ　Ｓｔｒｕｃｔｕｍ／Ｄｅ３　ｎｌ　此外，对复杂高层结构（包括带转换层的结构、带加强层　的结构、错层结构、连体结构、多塔结构等不规则结构、Ｂ级高　度高层建筑、超过Ａ级高度的组合结构等），楼层位移比指标　也属于关键指标，本例大悬挑结构的扭转位移比指标满足该　项要求。　３．５非关键指标仅适当考虑　前已述及，对于本例大悬挑结构，层间位移角及其差异的　指标可作为结构的关键整体指标。　，楼　暧垦分布、周期、楼层刚度、　地震作用等可作为非关键指标予以适当控制，控制原则如下：　１）大悬挑楼层的悬挑范围尽量减小恒、活载，以减小其楼　层质量与其下部楼层质量的差异；　２）控制扭转周期比于规范限值以内（本例工程为０．７３１）；　３）楼层抗侧刚度比、楼层抗剪承载力比可作为次要指标，　其主要原因是，大悬挑所在楼层悬挑段的柱、斜撑等构件虽在　楼层刚度及楼层抗剪承载力统计中计人，但因其为非连续构　件，所起的主要作用是增加悬挑钢桁架的竖向刚度，严格讲并　不能视为结构抗侧力构件，因此对于计算软件所统计的楼层　刚度比及楼层抗剪承载力比的指标，应进行甄别，对于本章的　实例，可分析其比较模型的相应指标。　４结语　本文以实际大悬挑工程为　冽，分析了　０悬挑结构的整体　结构性能指标与常规多高层结构的区别，包括楼层质量分布、　周期、扭转周期比、楼层刚度比地震作用、层间位移角、扭转位　移　；．之Ｉ　指鼢为关键控制指标和非关键指标两类，　将层间位移角及其差异作为关键控制指标进行严格限制，　将质量分布、周期、楼层刚度比、地震作用等阼　进　行鬯当控制，使　垦　结构的设计具有更大的可操作性。捕　【参考文献】　【１】ＧＢＳ００１１—２０１Ｏ建筑结构抗震规范［ｓ】．　【２］ＪＧＪ３－－２０１０高层建筑混凝土结构技术规程【ｓ】．　【３】汪大绥，姜文伟，等．ＣＣＴＶ新台址主楼结构设计与思考【Ｊ】．建筑结　构学报，２００８，２９（３）：１－９．　【４】王树，王明珠，等多层大悬挑钢结构体系静力与抗震性能设计［Ｊ】．　建筑结构学报，２０１２，３３（４）：７７．８６．　【收稿日期１２０１３．０９．０９　６５