某懸挑鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

賈 紹 雷

(深圳市國(guó)騰建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海 200336)

?

某懸挑鋼框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

賈 紹 雷

(深圳市國(guó)騰建筑設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海 200336)

采用PKPM和ETABS結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件,對(duì)某懸挑鋼框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算分析，確定了懸挑鋼框架結(jié)構(gòu)及其與主體結(jié)構(gòu)相連構(gòu)件的抗震性能目標(biāo)，得出懸挑鋼框架結(jié)構(gòu)在不同地震水準(zhǔn)作用下均安全可靠，正常使用工況下?lián)隙葷M足規(guī)范要求的結(jié)論。

懸挑鋼框架結(jié)構(gòu)，抗震性能目標(biāo)，地震水準(zhǔn)，PKPM

鋼結(jié)構(gòu)具有重量輕，施工速度快，強(qiáng)度高，抗震性能好的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)，已經(jīng)在大跨度屋蓋、連橋、懸挑結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。其中，懸挑鋼結(jié)構(gòu)能夠有效解決單邊長(zhǎng)懸挑形式的建筑造型，實(shí)現(xiàn)建筑師的設(shè)計(jì)理念。以上海市某商業(yè)建筑為例，對(duì)該項(xiàng)目中與主體結(jié)構(gòu)相連接的懸挑鋼結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算分析。

1 項(xiàng)目概況

本工程為商業(yè)建筑，總高41.5 m，地下2層，地上8層，地上建筑面積為11 294 m2，主體結(jié)構(gòu)采用了框架—剪力墻結(jié)構(gòu)體系，在建筑的西北側(cè)采用了懸挑鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相連，最大懸挑長(zhǎng)度為24 m，項(xiàng)目的難點(diǎn)為懸挑鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，安全等級(jí)為二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.0?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，基本地震加速度為0.1g，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，設(shè)計(jì)地震分組為第一組；場(chǎng)地類別為Ⅳ類，特征周期為0.9 s[1]，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05，結(jié)構(gòu)小震下周期折減系數(shù)為0.8，地下室頂板作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端。乙類建筑應(yīng)按本地區(qū)抗震提高1度的要求加強(qiáng)其抗震措施，因而框架抗震等級(jí)[2]為二級(jí)，剪力墻抗震等級(jí)[2]為一級(jí)。本工程基本風(fēng)壓為0.55 kPa,地面粗糙度按B類，風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.3。

2 懸挑結(jié)構(gòu)布置

1)懸挑部分采用鋼框架結(jié)構(gòu)，受整體建筑布局影響，懸挑結(jié)構(gòu)布置為雙向懸挑，交匯在軸，并設(shè)置5根鋼斜撐，共同承擔(dān)傾覆力矩，詳見(jiàn)圖1，圖2。同時(shí)斜撐的設(shè)置可以有效的提高懸挑鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，有利于鋼框架結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

懸挑部分位于建筑的L4層～L8層，其中斜撐穿越L4層～L6層，斜撐的角度均為57°，見(jiàn)圖1。斜撐平面布置見(jiàn)圖2，圖3為鋼框架三的剖面圖，鋼框架三的懸挑長(zhǎng)度為23.69 m。斜撐兩端與懸挑鋼框架及主體結(jié)構(gòu)均采用了剛接的做法。

2)懸挑方向鋼框架主梁均為箱形鋼梁，其余鋼梁均為熱軋H形鋼梁，鋼柱均為箱形鋼柱，斜撐為箱形鋼斜撐，樓板采用壓型鋼板組合樓板。在L4層及L7層樓板平面內(nèi)設(shè)置鋼水平支撐，以保證懸挑結(jié)構(gòu)平面內(nèi)的剛度鋼材強(qiáng)度等級(jí)均為Q345B。

3 懸挑結(jié)構(gòu)傳力機(jī)理

懸挑結(jié)構(gòu)正常使用工況及地震作用工況下整體傾覆力矩通過(guò)鋼框架梁及鋼斜撐傳遞到型鋼混凝土柱，通過(guò)節(jié)點(diǎn)處彎矩平衡，分配到對(duì)應(yīng)的型鋼混凝土梁，并進(jìn)一步傳遞到遠(yuǎn)端的型鋼混凝土柱；懸挑結(jié)構(gòu)正常使用工況下的豎向荷載則由型鋼混凝土柱傳遞到基礎(chǔ)。

4 懸挑結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)

建筑抗震設(shè)防類別屬重點(diǎn)設(shè)防類，位于角部的懸挑結(jié)構(gòu)屬于抗震薄弱環(huán)節(jié)，需要進(jìn)行性能化設(shè)計(jì)，以確保懸挑結(jié)構(gòu)在不同地震水準(zhǔn)作用下均處于安全的狀態(tài)。

結(jié)合建筑高度，懸挑層數(shù)，懸挑長(zhǎng)度，懸挑做法等因素，按文獻(xiàn)[2]要求將懸挑結(jié)構(gòu)及其與主體結(jié)構(gòu)相連構(gòu)件抗震性能目標(biāo)設(shè)為D級(jí)，即在多遇地震作用下各構(gòu)件均保持彈性，在設(shè)防烈度地震作用下各豎向構(gòu)件抗剪及抗彎不屈服，在預(yù)估的罕遇地震作用下豎向構(gòu)件抗剪截面滿足規(guī)范要求，主體結(jié)構(gòu)的型鋼混凝土柱不屈服，允許部分豎向構(gòu)件進(jìn)入屈服階段。

5 懸挑結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

采用PKPM軟件對(duì)懸挑結(jié)構(gòu)在小震，中震，大震及水平風(fēng)向工況下受力情況進(jìn)行了計(jì)算分析。采用ETABS軟件對(duì)結(jié)構(gòu)正常使用工況下的撓度進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)對(duì)懸挑部分按文獻(xiàn)[2]進(jìn)行了豎向上浮風(fēng)荷載計(jì)算。

懸挑鋼結(jié)構(gòu)需要各構(gòu)件安裝完畢，剛度整體形成后才能承受自身重量及其他附加荷載，因而PKPM計(jì)算時(shí)采用了一次性加載模式來(lái)考慮該懸挑鋼結(jié)構(gòu)的受力。

5.1 多遇地震作用分析

1)整體結(jié)構(gòu)周期分析。

對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)振動(dòng)周期，提取前6階周期值如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)周期

從表1可以看出，結(jié)構(gòu)前三階周期均處于地震影響系數(shù)曲線平臺(tái)段，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)地震力較大。

結(jié)構(gòu)前三階振型均為整體結(jié)構(gòu)的平動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，可見(jiàn)懸挑鋼框架結(jié)構(gòu)剛度大，能夠與主體結(jié)構(gòu)協(xié)同受力。第四振型為平動(dòng)，結(jié)合整體結(jié)構(gòu)三維振動(dòng)簡(jiǎn)圖，可見(jiàn)塔樓中段樓層呈凹凸型彎曲，懸挑段則呈現(xiàn)出豎向平動(dòng)的趨勢(shì)，與剖面為倒L形結(jié)構(gòu)的第一振型相似。第四振型的頻率為3.52 Hz,大于3 Hz,滿足舒適度的要求。組合樓板中鋼梁截面尺寸較大，撓度小，可以忽略樓板振動(dòng)問(wèn)題。

如表2所示，X向地震作用下第四振型的有效質(zhì)量參與系數(shù)達(dá)到10.37%，需要注意地震作用下該豎向平動(dòng)引起的傾覆彎矩，因而在考慮豎向地震工況的同時(shí)，計(jì)算中P—Δ效應(yīng)帶來(lái)的內(nèi)力放大效應(yīng)。

表2 結(jié)構(gòu)振型質(zhì)量參與系數(shù)

2)多遇地震作用內(nèi)力分析。

多遇地震工況下，懸挑結(jié)構(gòu)中鋼柱，鋼梁，鋼斜撐及與懸挑結(jié)構(gòu)相連接的型鋼混凝土梁和型鋼混凝土柱受力均滿足規(guī)范要求，處于彈性狀態(tài)。鋼斜撐最大應(yīng)力比為0.71，鋼框架梁最大應(yīng)力比為0.86，鋼柱的應(yīng)力比為0.73，鋼構(gòu)件應(yīng)力比均不超過(guò)0.9。型鋼混凝土柱均為構(gòu)造配筋率0.8%，型鋼混凝土梁最大配筋率2.39%，其中屋頂層型鋼混凝土梁配筋最大。

5.2 設(shè)防烈度地震作用內(nèi)力分析

按照中震不屈服的要求對(duì)懸挑結(jié)構(gòu)及其連接構(gòu)件進(jìn)行了分析。

中震不屈服條件下鋼斜撐最大應(yīng)力比為0.72，鋼框架梁最大應(yīng)力比為0.75，鋼柱的應(yīng)力比為0.68，型鋼混凝土柱均為構(gòu)造配筋率0.8%,型鋼混凝土梁最大配筋率1.74%。計(jì)算結(jié)果顯示，總體上中震不屈服條件下鋼構(gòu)件的應(yīng)力比小于多遇地震工況下的應(yīng)力比。

5.3 罕遇地震作用內(nèi)力分析

罕遇地震下的特征周期為1.1 s，不考慮周期折減。

計(jì)算結(jié)果表明型鋼混凝土柱滿足大震不屈服的要求，配筋率在0.8%，仍處于彈性狀態(tài)，普通鋼柱處于不屈服的狀態(tài)，而型鋼混凝土梁作為耗能構(gòu)件，部分已經(jīng)進(jìn)入屈服階段。

5.4 正常使用工況撓度計(jì)算

正常使用工況下?lián)隙闰?yàn)算采用了ETABS軟件。恒荷載+活荷載標(biāo)準(zhǔn)值組合工況下懸挑鋼結(jié)構(gòu)L4層端部的撓度值，柱底最大為48 mm，按照懸挑跨度24 m考慮，則撓度與跨度比為1/500，滿足文獻(xiàn)[3]中對(duì)主梁或桁架1/400的要求。

活荷載標(biāo)準(zhǔn)值工況下柱底最大為15 mm。按照懸挑跨度24 m考慮，則撓度與跨度比為1/1 600，滿足鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中對(duì)主梁或桁架1/500的要求。

5.5 懸挑結(jié)構(gòu)上浮風(fēng)荷載計(jì)算

考慮到懸挑結(jié)構(gòu)存在向上的風(fēng)吸力，按文獻(xiàn)[2]4.2.8條的風(fēng)載體型系數(shù)進(jìn)行了豎向上浮風(fēng)荷載計(jì)算，風(fēng)荷載體型系數(shù)取2.0，近似模擬風(fēng)振時(shí)程分析。通過(guò)在ETABS軟件模型中L4層樓板施加向上的風(fēng)荷載來(lái)實(shí)現(xiàn)。

向上風(fēng)荷載引起的撓度值在2 mm，同時(shí)整體上懸挑結(jié)構(gòu)在恒荷載+1.4倍向上風(fēng)荷載組合作用下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)力比不足0.3，可知向上風(fēng)荷載不是控制工況，對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)懸挑結(jié)構(gòu)在多遇地震、設(shè)防烈度地震、預(yù)估的罕遇地震及風(fēng)荷載下進(jìn)行計(jì)算分析，表明懸挑鋼結(jié)構(gòu)在地震作用及風(fēng)工況下均處于安全狀態(tài)，正常使用階段撓度滿足限值要求，懸挑結(jié)構(gòu)及其連接構(gòu)件能夠較好的實(shí)現(xiàn)預(yù)定的抗震性能目標(biāo)。

上述計(jì)算也表明，鋼結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)懸挑結(jié)構(gòu)中具有較大優(yōu)勢(shì)，容易滿足建筑師對(duì)各種新穎造型的要求，可以在實(shí)踐中進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

[1] DGJ 08—9—2013,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

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

[3] GB 50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)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

賈紹雷(1983- )，男，碩士，工程師

TU318

A