懸吊結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計影響

張 云

(華東都市建筑設(shè)計研究院總院，上海 200070)

1 概述

近年來，隨著建筑師對于大空間的極致追求，越來越多的懸吊結(jié)構(gòu)體系建筑應(yīng)運而生。顧名思義，懸吊結(jié)構(gòu)是指樓層懸掛在立柱或桁架上的建筑結(jié)構(gòu)體系，這種建筑的特點是用分散的鋼索和吊柱承擔(dān)主要荷載，大都采用鋼結(jié)構(gòu)，由于受拉構(gòu)件無穩(wěn)定要求，則可在最大程度上減小吊柱及鋼索的截面尺寸，滿足建造師對空間的極限追求。筆者有幸在實際工程中遇到了此類結(jié)構(gòu)類型，特此總結(jié)成文，供各位同行品鑒。

2 工程背景

工程位于岳陽市云溪區(qū)城陵磯臨港產(chǎn)業(yè)新區(qū)，基地在新區(qū)空間規(guī)劃布局中屬于公共服務(wù)配套區(qū)，東臨豐通路，南至通港路，與黃泥溝水系隔路相望，北靠象骨港東路，西側(cè)與閑置用地相鄰。基地總體呈矩形，向北微凸，高差約12 m，暫無道路直通基地內(nèi)部。項目總用地面積36 922 m2，共包括辦公樓、宿舍樓和主閘口三個結(jié)構(gòu)單體。

辦公樓總建筑面積42 805 m2，其中地上6層，總建筑面積28 545 m2，地下1層，總建筑面積14 260 m2。主要功能包括政務(wù)用房、金融服務(wù)用房、休閑餐飲用房、會議服務(wù)用房、酒店服務(wù)用房、展示服務(wù)用房、行政辦公用房和其他各類輔助用房等。結(jié)構(gòu)體系為鋼筋混凝土框架—剪力墻，屋面板高度30.35 m。

如圖1所示，限于建筑方案要求，5F南側(cè)平面局部2根框架柱不能落地，造成5F以上x向形成跨度27 m的大跨空間。同時，y向尚需懸挑6 m。為解決上部5層～屋面豎向荷重的傳遞問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮采用5層～6層樓面大跨預(yù)應(yīng)力梁結(jié)合屋面雙向懸吊桁架的結(jié)構(gòu)方案。

有限元計算時采用模擬施工1，一次性形成模型剛度，一次加載。要求該區(qū)域支撐在結(jié)構(gòu)封頂后方可拆除。

受拉吊柱及屋面桁架上弦拉桿內(nèi)加設(shè)型鋼，保證抗拉強度，控制構(gòu)件裂縫。

如圖2所示，限于建筑方案要求，4F平面左下角和5F平面右上角框架柱不能落地，造成該角部區(qū)域需在懸挑梁端繼續(xù)懸挑。同時，考慮兩向懸挑尺寸均較大。為解決角部豎向荷重的傳遞問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮采用樓面大跨預(yù)應(yīng)力懸挑梁結(jié)合屋面雙向懸吊桁架的結(jié)構(gòu)方案。

有限元計算時采用模擬施工1，一次性形成模型剛度，一次加載。要求該區(qū)域支撐在結(jié)構(gòu)封頂后方可拆除。

受拉吊柱及屋面桁架上弦拉桿內(nèi)加設(shè)型鋼，保證抗拉強度，控制構(gòu)件裂縫。

3 計算分析

采用中國建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所編制的PKPM系列軟件SATWE空間結(jié)構(gòu)模型計算程序(10版最新版)，結(jié)構(gòu)抗震計算按照扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)振型分解反應(yīng)譜法進行，考慮雙向地震作用及偶然偏心影響，并采用Midas Building(2013 V2.1版)計算程序?qū)ATWE結(jié)果進行了對比和校核。計算中取±0.000為嵌固端，取21個振型進行了計算，結(jié)構(gòu)總重量(不含地下室)約為55 979 t。

由數(shù)值計算模型的結(jié)果可知：

1)計算結(jié)果表明，各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。從SATWE和Midas Building反應(yīng)譜計算結(jié)果來看，其計算結(jié)果相差在5%以內(nèi)，結(jié)構(gòu)動力特性一致,說明計算程序選擇合適，計算結(jié)果可靠。計算得到的周期、層間位移角及位移比值等指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)，并滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

2)地下1層與首層的側(cè)向等效剪切剛度比值均大于2，滿足±0.000作為嵌固端的要求。

3)各典型曲線形狀突變處均與結(jié)構(gòu)特點相一致，無明顯薄弱部位。剛度、承載力曲線變化平穩(wěn)，無剛度變化明顯的軟弱層或承載力突變的薄弱層。

計算模型輸入信息見表1。

表1 計算模型關(guān)鍵輸入信息匯總表

a.計算模型及樓層質(zhì)量對比。軟件統(tǒng)計的樓層質(zhì)量詳見圖3。樓層質(zhì)量比均小于1.5，滿足規(guī)范要求，且兩程序?qū)Ρ冉Y(jié)果較好，計算基礎(chǔ)可靠。

b.周期與模態(tài)。SATWE，Midas Building周期計算結(jié)果見表2。

表2 模型周期表

SATWE模態(tài)計算結(jié)果如圖4所示。

c.剪重比。由于計算單體基本周期較短，不存在長周期現(xiàn)象，且振型計算數(shù)足夠，振型質(zhì)量參與系數(shù)均滿足大于90%的要求，所以計算剪重比均滿足規(guī)范要求的0.8%限值，見表3。

表3 各單體剪重比統(tǒng)計表

d.樓層剪力及層間剪力。由圖5，圖6可知，樓層剪力及層間剪力分布符合樓層質(zhì)量變化規(guī)律，曲線形狀與結(jié)構(gòu)實際受力情況一致。第7層為大屋面。

e.層間位移角。由計算結(jié)果可知，單體計算位移角均小于規(guī)范限值1/800，說明整體平動剛度控制較好，滿足小震下的剛度要求。由表4可知，結(jié)構(gòu)整體變形符合框架—剪力墻體系變形特點。

f.扭轉(zhuǎn)指標(biāo)(周期比及位移比)。由于2層北側(cè)裙房凸出典型平面較多，導(dǎo)致在水平地震作用及風(fēng)荷載下北側(cè)端部框架柱位移比較大。但考慮到本單體地震設(shè)防烈度較低(6度)，房屋高度較矮，基本風(fēng)壓(0.4 kN/m2)數(shù)值不大，單體計算所得一層位移角1/8 015(X向)和1/8 150(Y向)均小于1/3 000，且周期比滿足小于0.85的要求，結(jié)構(gòu)平扭模態(tài)關(guān)聯(lián)度較小。因此，根據(jù)抗震規(guī)范[1]和高規(guī)[2]的建議，本單體位移比限值可適當(dāng)放寬，但嚴格控制位移比不大于1.50。

本單體滿足位移比小于1.5，周期比小于0.85，見表5。

表5 位移比及周期比(不包括頂部小塔樓)

g.薄弱層判斷(剛度比及承載力比)。模型剛度比(X，Y方向本層塔側(cè)移剛度與上一層相應(yīng)塔側(cè)移剛度70%的比值或上三層平均側(cè)移剛度80%的比值中之較小者)計算結(jié)果均大于1.0，說明結(jié)構(gòu)不存在剛度突變問題，不存在軟弱層。上下層結(jié)構(gòu)承載力比計算結(jié)果均大于0.8，說明結(jié)構(gòu)不存在承載力突變，不存在薄弱層，見表6。

表6 樓層側(cè)向剛度比及承載力比

h.底層傾覆力矩比。

由計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)滿足整體抗傾覆及穩(wěn)定性要求，無需考慮重力二階效應(yīng)。底層框架柱承擔(dān)的傾覆力矩大于總傾覆力矩的10%且小于總傾覆力矩的50%，計算結(jié)果均滿足規(guī)范要求，見表7。

表7 底層傾覆力矩比

4 結(jié)語

通過筆者的計算分析以及工程完成后的監(jiān)測表明，在多遇地震下，懸吊結(jié)構(gòu)對整體結(jié)構(gòu)影響滿足規(guī)范要求下的強度極限狀態(tài)下及正常使用狀態(tài)下性能要求；且在地震工況下，整個結(jié)構(gòu)有足夠的抗震性能，達到了規(guī)范要求的抗震設(shè)防目標(biāo)。

[1] GB 50011—2010,建筑抗震設(shè)計規(guī)范(2016年版)[S].

[2] JGJ 3—2010,高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].