某綜合體大懸挑結構設計研究

□ 王彥斌

某商業綜合體項目為商業、辦公綜合體項目，建筑高度59m，地上13層，地上建筑面積66875m2；地下3層，地下建筑面積43158m2。首層及2層建筑層高5.1m，3層層高5.3m，其余標準層高4.3m。項目結構形式為核心筒大懸挑結構體系，采用單重豎向抗側力核心筒結構體系，以兩道懸臂桁架與環帶桁架將3層以上懸挑結構受力傳遞給核心筒；3層及以下建筑及外圍裙房采用框架結構。

本工程中，3層以上懸挑結構為不規則、不連續、不對稱結構，與其他建筑設計中規整、矩形對稱、桁架貫通自平衡結構存在較大的差異[1]。由于工程懸挑結構面為梯形，在桁架設計時，需綜合考慮外圍框架柱對結構設計的影響，且由于框架柱不連貫，導致結構設計難度增大。在此背景下，本文深入研究了大懸挑結構體系設計受力特點，并對主要設計參數和結構整體分析等方面進行研究。

1 結構體系和受力特點

本工程中，為將辦公區域與下部商業區域有效分隔，在結構設計時取消了3層外框架柱結構，在一定程度上保持了綜合體下部空間的連續性。但同時，由于框架柱不連貫，造成3層以上結構均為懸挑結構，最大懸挑長度達19.2m。為滿足結構剛度和穩定性要求，在結構體系設計時，以核心筒作為豎向抗側力體系，借助兩道懸臂桁架和環帶桁架組合為懸挑轉換體系，將3層以上樓層豎向荷載傳遞至核心筒。

1.1 懸挑轉換體系

本工程懸挑樓層較多，懸挑跨度大，為確保結構體系穩定，分別在4層、9層布設一道懸挑轉換體系。懸挑轉換體系設計時，由核心筒延伸出“V”字形結構的懸臂桁架，每層共計14道，桁架端部支承懸挑轉換體系的上部樓層鋼框架柱，將上部樓層的豎向荷載傳遞給核心筒。同時，為確保懸挑轉換體系的穩定性，沿桁架外圍設計環帶桁架，降低懸臂桁架受到的水平拉應力。環帶桁架端部相交，形成穩定的受力結構體系，滿足上部懸挑結構端部支承要求。為平衡核心筒結構水平荷載，核心筒內部增設水平鋼梁，抵消核心筒受到的水平拉應力。懸挑桁架上、下弦桿設計交叉水平支撐，以滿足懸挑轉換體系上部結構鋼框架柱抗扭剛度要求。設計中，除交叉水平支撐采用Q345B鋼材外，懸臂桁架、環帶桁架和內部環通鋼梁均采用Q390GJ鋼材。懸挑轉換體系中，GL1～GL2為內部環通鋼梁，HHJ1～HHJ4為環帶桁架，XHJ1～XHJ4為懸臂桁架，如圖1所示。

圖1 懸挑結構轉換體系平面圖

1.2 豎向抗側力體系

本工程中，由核心筒承擔懸挑結構豎向荷載，作為整個建筑豎向抗側力體系，核心筒平面尺寸為25.20m×（8.40m～25.20m），X向高寬比為2.32～6.96，Y向高寬比為2.32。底層核心筒剪力墻厚度為700mm，次剪力墻厚度為300mm，混凝土強度為C60；上部核心筒剪力墻厚度為500mm，次剪力墻厚度為200mm，混凝土強度為C40。核心筒端柱截面尺寸1000mm×1000mm，非核心筒區域端柱截面尺寸為700mm×700mm。梁板厚度150mm，混凝土強度C40。

1.3 附屬結構體系

懸挑附屬結構體系設計時，鋼梁與鋼柱剛接，并與核心筒鉸接。鋼柱直徑為800mm，厚度為30mm，鋼梁采用HN600型鋼。

2 結構設計參數

2.1 荷載作用

根據《住宅建筑規范》（GB 50368—2005），綜合體設計使用年限為50年。建筑設計安全等級二級，抗震設防烈度為7°。經查詢《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015），項目場地基本地震加速度峰值為0.10g，設計地震分組屬于第二組，場地類別為第Ⅳ類場地。50年重現期基本風壓0.55kN/m2，考慮到綜合體風荷載增大效應和大懸挑結構造型特殊性，設計時綜合體體型系數取1.4，風荷載效應放大系數取1.1[2]。

2.2 抗震等級

綜合體剪力墻結構抗震等級為三級。抗震作用設計時，設計綜合體核心筒底部1～3層、懸臂轉換層及相鄰樓層的結構抗震等級為一級，其余區域抗震等級為二級。非核心筒結構根據結構部位設計抗震等級，懸臂桁架和環帶桁架抗震等級一級，樓面價差水平支撐抗震等級為二級，上部鋼框架梁抗震等級三級，底部兩層框架結構抗震等級二級。

2.3 懸挑性能設計目標

按綜合體抗震等級設計目標，明確綜合體結構在不同抗震烈度情況下抗震性能水平，如表1所示。

表1 不同地震級別下抗震性能設計目標（中震層間位移角限值的出處）

3 懸挑結構整體分析

本次設計中，由于大懸挑結構較為復雜，且為非對稱結構和核心筒豎向抗側力體系，對地震作用敏感，彈性分析應選擇P-Δ效應[3]，豎向地震作用取反應譜分析和10%重力荷載值包絡值。小震以上地震作用分析時，需以豎向地震作用為主的組合效應。此外，由于3層核心筒外圍框架柱缺失，地震作用內力增大1.25倍，則應當充分考慮在地震作用下核心筒地震剪力效應。

3.1 小震和風荷載作用下結構整體分析

在小震和風荷載作用下結構整體分析時，按場地特征周期0.7、阻尼比0.04、周期折減系數0.9、連梁剛度折減系數1.0，計算風荷載下X向和Y向最大層間位移角均為1/9999。小震作用下，最大層間位移角為1/1415（X向）、1/1457（Y向），均小于懸挑結構性能設計目標，表明結構設計性能與設計整體目標相符。在結構整體分析中，首層最大層間位移比最大，其原因是裙樓樓板開洞，表明懸挑結構結構性能良好，側向剛度滿足懸挑結構穩定性要求。

3.2 豎向地震作用分析

本工程懸挑結構為不規則結構，且跨度較大，對豎向地震作用影響敏感。為確保結構設計滿足豎向地震作用下建筑結構安全性、穩定性要求，采用3條地震波進行結構設計驗算。以XHJ1和XHJ6環帶桁架受拉斜腹桿軸力，則在3條地震波作用下，阻尼比按0.04計算，則受拉斜腹桿軸力分別為7930kN、4946kN，豎向振型分解反應譜條件下最大軸力與重力荷載值比值為8.9%。以重力荷載在代表值的10%計算豎向地震效應可滿足結構安全性要求。

3.3 中震彈性分析

在中震作用下，考慮到下部結構損傷問題，連梁剛度折減系數按0.5計算，阻尼比系數以0.065計算，周期折減系數按1.0計算，驗算綜合體結構在中震租用下的結構彈性。根據驗算結果，4層以下結構最大層間位移角分別為1/670（X向）、1/666（Y向），均小于結構整體設計目標。3層及以下結構核心筒周圍剪力墻內，增設厚度為25mm的Q345B鋼板邊緣構件內設置型鋼加固。通過增設加固措施，墻肢剪壓比可滿足中震作用下結構性能要求。

3.4 大震不屈服分析

在大震不屈服分析時，按阻尼比0.05、周期折減系數0.9、場地特征周期0.9s計算，懸挑結構X向和Y向最大層間位移角分別為1/276、1/275，滿足結構整體目標要求。經驗算，核心筒墻肢剪壓比滿足規程要求。

3.5 懸挑轉換體系承載力與變形分析

經計算懸挑轉換體系在豎向荷載和地震組合效應下應力比，計算小震作用下，懸挑轉換體系荷載主要為1.5活荷載+1.3恒載；計算中震作用下，荷載為1.3水平地質+1.2恒載+0.6活荷載+0.5豎向地震；計算大震作用下，荷載為1.0水平地震+1.0荷載+1.0恒載+0.5活荷載+0.4豎向荷載。因此，在小震作用下，懸挑轉換體系受到的荷載主要為豎向荷載；中震和大震作用下，懸挑轉換體系受到的荷載主要為水平地震作用。

3.6 大震動力彈塑性時程分析

大震動力彈塑性時程分析時，按1∶0.85∶0.65設計三向地震波比例，主方向峰值加速度參數取2000mm/s2，經計算，剪力包絡值分別為91700kN（X向）、115700kN（Y向）。X向最大層間位移角為1/559～1/358，Y向最大層間位移角為1/408～1/277，均小于結構整體目標。X向和Y向最大位移包絡值分別為0.123、0.163。計算結果表明，懸挑結構整體設計穩定性良好，遇到罕見大震時，剪力墻結構僅出現輕微或輕度損傷，4層以下角部剪力墻結構受損相對嚴重，損傷值為0.40～0.50，損傷分布寬度小于剪力墻15%，可通過剪力墻結構加固解決。核心筒周邊剪力墻洞口和剪力墻交接部位存在輕度損傷問題，通常在剪力墻內部增設型鋼加固處理。

4 施工要點與變形控制

根據綜合體大懸挑結構特點，在結構施工時，應避免局部結構受力變形，如地下柱網偏置、核心筒結構偏心等問題。

綜合體施工中，由于懸挑結構為不對稱結構，為避免上部結構受力偏向，在施工過程中應注意對稱施工，以此補償核心筒和懸挑結構體系豎向變形補償。同時，在結構施工過程中，應注意結構變形監測，避免出現施工安全事故。

5 結語

結合綜合體項目案例，深入研究了特殊懸挑結構綜合體結構設計要點，并通過整體分析、彈性分析、地震作用分析等，驗算了綜合體懸挑結構受力穩定性。結果表明，在大震作用下，懸挑結構整體穩定性良好，局部受損，需通過加固處理改善結構性能。在施工過程中，應依次完成核心筒施工和懸挑轉換體系施工，并按對稱施工原則，合理控制綜合體懸挑結構豎向變形。