第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 某办公楼立面大悬挑结构设计 虞炜，邱春毅，齐曼亦，赵青春，陈瑛，屠静怡 （上海建筑设计研究院有限公司，上海200041） 【摘要】项目位于浦东张江，其中1#和2#在三层以上有立面大悬挑悬挑长度10.4米，是一个平面和竖向均不 规则的超限高层，采用框架剪力墙结构体系，并根据建筑超限的情况及结构体系，提出性能设计目标，通过对大 悬挑结构的方案比较、竖向地震计算、舒适度评估、抗连续倒塌的一系列分析，总结立面大悬挑结构的设计要求.
【关键词】立面大悬挑：竖向地震：舒适度；抗连续倒場 1工程概况 本工程位于上海浦东的张江高科技园区，基地形状大致呈扇形.
本工程由6栋高度约为29m的高层建 筑组成，并围合成二个中心广场空间，建筑主体功能均为研发办公，总建筑面积53670㎡²，其中1#楼和 2#楼满足建筑入口需要有立面大悬挑，悬挑长度10.4米.
2结构体系及主要平面布置 1#楼和2#楼均为地上七层、地下一层，建筑大屋面檐口标高29.100米（从室外地面算起），地下一层 层高为5.7米，一层层高5.1米，其余层高均为4.0米.
结构体系为框架-剪力墙，典型柱网开间为6.5米× 9.0米和9.0米×9.0米，典型框架柱截面800x800、700x700：与悬挑拉杆相连的框架柱截面800x800，内 置型钢.
典型剪力墙厚度为400mm，底部加强区以上减小为300mm.
一层板厚度为180mm（嵌固层）， 室外区域板厚为250mm，其它楼层典型板厚为120mm，楼板缺失楼层板厚为130mm、180mm：斜撑区域 楼板适当加厚至150mm.
图1二层结构平面图 图2四层结构平面图 1#、2#楼四层以上大跨悬挑（图1和图2），悬挑处采用钢拉杆与钢吊柱的承载方式（图3），同时设 置型钢混凝土梁柱，与拉杆形成完整的传力体系.
悬挑端楼面采用钢梁压型钢板混凝土楼板的梁板体系， 减小结构自重.
拉杆采用钢管截面，外径300mm，壁厚20mm，材质为Q390B.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 000 000 图3斜拉杆布置立面图 3塔楼不规则情况分析 1）四层及以上整体外挑约10.4m（图3）： 2）平面凸出，约为相应投影方向总尺寸42%，并形成越层柱（图1）： 3）考虑偶然偏心最大层间位移比1.4，属于扭转不规则： 4）二层三层楼板开洞开洞面积约为55%（图1）： 4 结构性能目标的确定 按照《建筑抗震设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》的相关要求，本工程抗震性能目标为： 发生多遇地震（小震）后能保证建筑结构未受损，功能完整，不需修理即可继续使用，即完全可使用的性 能目标：发生设防烈度地震（中震）后保证建筑结构轻度损坏，一般修理后可继续使用：发生罕遇地震 （大震）时，有明显塑性变形，修复或加固后可继续使用，建筑功能受到较大影响，但人员安全，即保证 生命安全的性能目标.
表1抗震性能目标表 抗震烈度 多遇地震 设防烈度地震 罕遇地震 （小震） （中震） （大震） 1/800（规范限值） 层间位移角限值 首层层间位移角满足 最大层间位移角满足1/400 1/100 1/2000或底层刚度大于 上层的1.5倍 底部三层剪力墙 弹性 抗剪不屈服 构 二层、三层、四层楼板 弹性 允许开裂，控制钢筋应力水平 件 性 六层、屋面层楼板 弹性 允许开裂，控制钢筋应力水平 能 目 越层拉杆 弹性 不屈服 标 与拉杆相连的水平SRC梁 弹性 不屈服 与拉杆相连的型钢柱 弹性 不屈服
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 5立面大悬挑结构设计 5.1立面大悬挑结构方案比较 根据本工程的特点进行立面大悬挑的方案比选.
方案一（图4）将立面大悬挑的斜拉杆设置在四层至 六层处：方案二（图5）将立面大悬挑的斜拉杆放置在屋顶层，设置钢柱用于悬挂四层至七层楼面.
2#楼 的特点在于其四层以下楼板缺失严重，如将斜拉杆放置在四层至六层，那么三层与四层的抗剪承载力之比 仅0.5，导致三层与四层之间抗剪承载力的突变，形成软弱层，对抗震不利.
如将斜拉杆放置在六层至屋 顶层，可以避开三层这个薄弱层，最终控制其抗剪承载力之比在0.8以上，而且由于悬挑侧采用钢结构使 090 8 5.F .5.T 4E 上 图4方案一斜拉杆设置在四层至五层 图5方案二斜拉杆设置在六层至七层 5.2竖向地震反应谱分析与内力 由于悬挑长度较大，设计时应考虑其竖向地震作用影响，分别采用ETABS（反应谱）和PKPM的简化 算法进行比较.
ETABS软件采用的竖向反应谱曲线，其形式与水平反应谱一致，仅是将竖向地震影响系数 最大值取为水平方向的65%，即0.65x0.08=0.052（小震），0.65x0.23=0.1495（中震）.
从计算结果可以看到， 竖向振型的周期均位于地震影响系数曲线的平台阶段.
) ED CZ XC1 -3 CKZT 图6拉杆编号示意图
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 下表为ETABS软件计算得到的竖向地震下的斜拉杆内力（编号位置见图6）： 表2ETABS斜撑计算内力（表格中的内力为轴力标准值，单位KN） 荷载工况 XC1 XC2 XC3 XC4 重力荷载代表值 1620. 19 1860. 12 3393. 14 752. 95 小 竖向地震作用 47. 44 48. 29 93.51 69. 48 震 竖向地震/重力荷载代表值 0.03 0.03 0.03 0.09 中 竖向地震作用 136. 38 138. 82 268 85 199. 75 震 竖向地震/重力荷代表值 0.08 0.07 0.08 0.27 XC1~XC4采用相同的截面、材质.
从计算结果看到，在竖向中震作用下，拉杆XC1、XC2、XC3轴力标 准值与重力荷载代表值的比约为8%，XC4的竖向地震作用与重力荷载代表值之比为0.27.
作为对比，下表为PKPM软件采用规范简化方法计算得到的拉杆内力： 表3PKPM规范简化方法计算内力（表格中的内力为轴力标准值，单位KN） 荷载工况 XC1 XC2 XC3 XC4 竖向地震作用（中震） 338 90 336. 20 566. 70 260. 20 对比可见，PKPM软件采用规范简化方法计算得到的竖向地震作用，比ETABS软件的结果偏大.
因此， 对拉杆进行中震不屈服承载力验算时，使用PKPM的计算结果（包含竖向地震作用）是可行的，偏于安全 的.
5.3立面大悬挑结构舒适度评估 ETABS软件无法进行仅包含竖向振动分量大动力特性分析，计算时按考虑三向振动进行分析，包含x、 y、z轴以及绕x、y、z轴共六个方向.
根据各阶振型质量参与系数，可判断结构各模态的主振动方向.
在所计算的全部75个振型中，含27个竖向振型.
其中，大部分振型为楼板的局部竖向振动、悬挑钢梁的 局部振动：大跨悬挑处的整体竖向振型为第38、49振型（图7和图8）.
图7振型38-沿轴线2-A”立面 图8振型38-沿轴线2-3”立面 第38阶振型周期为0.2425s，第49阶振型周期为0.2239s：其竖向振动频率均大于4Hz，满足《高层
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 5.4立面大悬挑结构抗连续倒塌分析 整体大悬挑的存在，导致结构余度降低，遭受意外破坏情况时结构的安全可靠性能得不到保证.
参 考美国公共事务管理局（GeneralServiceAdministration）制订的“GSA导则”及我国《高层建筑混凝土结 构技术规程》，采用转变传力途径法，即拆除构件法进行抗连续倒場分析.
在本工程中，以支撑大悬挑楼面的钢管拉杆为关键构件，假定4根越层拉杆均因突发事故作用而失效 （图9），在重力荷载作用下转变传力途径进行结构内力重分布弹性静力分析，由此验算结构悬挑端悬挑钢 梁、钢柱的截面承载能力.
根据《高规》的规定，构件截面承载力计算时，混凝土强度可取标准值：钢材强度，正截面验算时， 可取标准值的1.25倍，受剪承载力验算时可取标准值.
仍然采用SATWE软件进行分析，在原有结构模型 中拆除4根拉杆，并人工定义上述荷载组合（图10），进而得到悬挑端钢梁、钢柱的荷载效应设计值.
人 工定义荷载组合如下图7.4.9.1所示，计算模型三维示意图如下图7.4.9.2所示.
组合号 1 活 3向同驰T向风乾 -0. 200 0.000 3 0.400 00P 0.000 0 000 0.200 0.2 图9用于验算抗连续倒場三维模型图 图10人工定义荷载组合 表4关键构件抗连续倒塌分析（轴力受拉为正，单位KN.mKN） 构件 四层 五层六层七层屋顶 构件 四层 五层 六层 七层 屋顶 内力 M 1287 1443 1393 1419 1240 M 1386 1454 1420 1419 GKL1 V 426 495 474 488 415 GKL4 334 356 346 348 358 应力 正应力 0.65 0.74 0.71 0.72 0.63 正应力 0.71 0.74 0.72 0.72 0.71 比 剪应力 0.28 0.33 0.32 0.33 0.28 剪应力 0.22 0.24 0.23 0.23 0.24 内力 M 858 925 907 918 909 M 1354 783 858 1363 GKL.2 V 236 255 250 254 266 GKZ1 N 16 88- 66 -111 应力 正应力 0.43 0.47 0.46 0.47 0.46 正应力 0.63 0.35 0.36 0.61 比 剪应力 0.16 0.17 0.17 0.17 0.17 稳定 0.00 0.29 0.30 0.53 内力 M 1619 1760 1714 1749 1589 M 1874 1047 1061 1837 GKL3 V 410 460 445 457 417 GKZ2 3 48 74 -114 应力 正应力 0.82 0.90 0.88 68°0 0.81 正应力 0.90 0.50 0.50 0.86 比 剪应力 0.22 0.25 0.24 0. 25 0.22 稳定 0.00 0.40 0.41 0.72 从验算结果看出，考虑钢材强度修正后，当斜拉杆退出工作后，钢梁的最大正应力比为0.90，最大剪 应力比为0.33：钢柱最大正应力强度比为0.90，最大稳定应力比为0.72.
当斜拉杆失效退出工作后，结构悬挑端将会形成空腹桁架受力机制，使悬挑端钢梁、钢柱形成整体受 力体系，确保了钢梁、钢柱的承载能力.
且经过对比分析，立面钢柱抗弯刚度越大，越有利于空腹桁架发
