【摘要】以石家庄某项目为例，介绍了有关长悬挑结构设计的基本思路，分析了长悬挑结构的设计特点和抗震措施。通过工程实例的介绍，为类似项目的结构设计提供一些经验与参考。
【关键词】悬挑桁架；抗震措施；抗震性能设计
1、工程概况
本工程位于石家庄市东南部裕华区，南临槐安东路，东临雅清街，西侧为西美第五大道住宅小区，北侧为金马小区，交通便利。建筑方案设计单位为国际知名公司凯达环球建筑设计咨询有限公司。项目由主楼和裙房两部分组成，其中：主楼为地下2层，地上26层，标准层平面尺寸约33mx31.5m；裙房为地下1层，地上5层，平面尺寸约25.8mx31.5m；总建筑面积为42500㎡，建筑总高度为99.85米。
本工程设计基准期为50年，结构设计使用年限为50年。建筑物抗震设防类别为丙类，建筑结构安全等级为二级，工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计地震分组为第二组，根据地质勘查报告，建筑场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.55s，多遇地震下水平地震影响系数最大值为0.08。本工程基本风压为0.40kN/m2（100年重现期），地面粗糙度类别为B类。基本雪压为0.30kN/m2（50年重现期）。
2、结构特点
本工程结构类型采用钢筋混凝土框架-核心筒结构，裙楼范围突出主楼边界的长度较小（仅三跨），高层塔楼和裙楼不设缝，连为一体。由于建筑平面功能和立面效果需要，本工程在多个部位出现较大尺寸的水平外挑，属于复杂高层建筑结构中的悬挑结构。具体分布情况如下：
1）建筑东南角一跨范围在七层～十一层间向南侧外挑，水平外挑尺寸约6.75m；
2）建筑东南角一跨范围在十二层～屋面间向南侧外挑，水平外挑尺寸约5.25m；
3）建筑西南角一跨范围在四层～七层间向南侧外挑，水平外挑尺寸约8.25m；
4）建筑东南角两跨范围在三层～五层间向东侧外挑，水平外挑尺寸约6.75m。
对于水平外挑尺寸为5.25m处，采用了钢梁悬挑方案。其他外挑处采用了钢桁架悬挑结构方案。
3、设计原则
满足建筑功能及使用要求，符合国家现行的有关设计规范、规程及行业标准的要求，做到安全、经济、合理、便于施工，使结构体系受力明确，传力直接，有利于抗震。
4、结构计算分析
本工程属于复杂高层悬挑结构，采用了两个不同力学模型的结构分析软件进行整体内力和变形分析，考虑水平地震和竖向地震作用，并采用弹性时程分析法进行补充计算。两种软件分别是中国建筑科学研究院编制的多层及高层建筑结构空间有限元分析及设计软件SATWE（2008年版）和由广东省建筑设计研究院和深圳市广厦软件有限公司联合开发的广厦建筑结构通用分析与设计软件GSSAP。两种计算结果经分析比较，判断合理有效，各项抗震指标均控制在规范限值以内。此外，对于悬挑钢桁架及关键节点采取性能化设计，明确性能目标，提高安全储备；对于悬挑处相关范围的楼板进行应力分析。
结构主要计算指标如下
5、悬挑结构设计
如前所述，本工程多个位置水平外挑尺寸超出4m，属于复杂高层建筑结构中的悬挑结构。悬挑体系的合理设计是整个结构设计中的关键点，也是一个难点，其直接关系到整个建筑结构的安全度。在设计过程中主要是从两个方面来予以解决，一个方面是悬挑体系的选择以及悬挑构件自身的安全度控制，另一方面是与悬挑结构相关连的主体结构及构件的加强，确实保证关键节点的可靠度。下面重点介绍钢桁架悬挑结构体系的设计和技术措施。
5.1悬挑钢桁架
结合建筑功能，考虑现场施工因素，最终选择采用了相当于整个层高的全刚接钢桁架悬挑结构，具有以下优点：
1）受力明确，荷载传力途径直接可靠。
悬挑层承托的以上楼层的荷载通过钢柱直接传给钢桁架，再由钢桁架传递给与其相交的主体框架柱，直接向下传递到基础。
2）能够有效减轻悬挑部分的结构自重，降低地震反应。
与钢筋混凝土桁架和型钢混凝土桁架相比，虽然钢桁架整体刚度略小，但结构自身的重量会减小很多，而且更便于施工。
3）桁架自身的特点，为悬挑自身平面内提供了足够的竖向刚度，从而减小结构的竖向位移，满足正常使用的要求。
4）具有较高的冗余度，提升结构自身的抗震性能。
5）利于施工，保证质量。
钢桁架节点均在工厂内采用机械加工制造焊接，能够很好的控制质量。在现场组装好各片桁架后可直接吊装就位。连接固定后即可作为施工模板支架，为后序施工提供便利条件。
6）做到了与建筑功能的和谐统一。
考虑到悬挑结构的重要性，在悬挑构件截面的选择上留有足够的安全度，严格控制截面的应力比不大于0.85。桁架上下弦杆采用的型号为HN700x300； 桁架斜腹杆采用的型号为HM600x300；桁架竖腹杆采用的型号为HM300x300。
5.2封边钢桁架
为了保证悬挑钢桁架平面外的稳定，在长悬挑的端部各片钢桁架之间，结合建筑外装饰幕墙，每隔1500mm均匀设置钢柱，与上下层楼盖处的封边钢梁组合成空腹钢桁架，从而进一步增大了悬挑结构的空间刚度和整体性。型钢柱采用的型号为HM200x200。
5.3钢桁架上下弦平面楼盖
与钢桁架上下弦杆相连的楼盖布置主次钢梁，楼板采用压型钢板-现浇混凝土楼板。此种形式一方面有利于楼盖与钢桁架的连接，一方面又方便施工，提高施工速度。主钢梁采用的型号为HN700x300，次钢梁采用的型号为HN250x125。
设计时对与钢桁架相连的上下两层楼板进行了应力补充分析，考虑楼板平面内的变形，上层楼板按转换层楼板进行设计，楼板厚度予以加大，上层楼板厚度取为180mm，下层楼板厚度取为150mm，在板内设置双向双层钢筋网，且每个方向配筋率均不小于0.25%。
5.4型钢混凝土柱
为了保证悬挑钢桁架与主体结构的可靠连接，与钢桁架直接相连的框架柱均采用型钢混凝土柱，截面尺寸详见下图。
5.5型钢混凝土梁
与悬挑钢桁架上弦杆相连的框架梁采用型钢混凝土梁，保证悬挑钢桁架与主体结构相连节点传力的可靠性。截面尺寸详见下图。
5.6施工因素
本工程钢结构悬挑体系较为复杂，对现场施工精度、施工组织要求高，设计时对其施工顺序和注意事项提出要求，明确必须在悬挑结构层整体施工完毕后方可进行上一相邻层的施工，保证结构实际受力与计算分析模型的一致性。并要求施工单位制定详细的加工、制作、运输、安装专项施工方案。
6、抗震设计及构造措施
考虑到悬挑结构的重要性和复杂性，作为结构中的关键构件，如果在地震时失效，将破坏附近较大面积的结构，甚至会影响结构的整体安全型。设计中采用抗震性能化设计对悬挑钢桁架进行了补充分析，提高了悬挑结构的承载能力和安全储备。对悬挑钢桁架依据高规的规定，选用B级性能目标和相应的抗震性能水准，即小震和中震弹性、大震不屈服。
本工程框架和剪力墙的抗震等级均为二级，与悬挑钢桁架、悬挑钢梁相交的框架柱、框架梁的抗震构造措施提高一级，即按一级采取抗震构造措施。设计中贯彻“强柱弱梁、强剪弱弯、强节点、弱杆件”的设计原则，突出抗震概念设计。
7、结语
1）抗震设计在计算分析的基础上，更应重视概念设计，把握结构的薄弱环节。
2）对于长悬挑结构，应采用合适的结构形式，应重视与主体结构连接的可靠度。
3）对于结构关键构件，应进行抗震性能化设计，保证足够的安全度。
4）应全面考虑施工阶段对结构实际受力带来的影响。
【参考文献】
【1】GB 50223-2008建筑抗震设防分类标准[S]
【2】GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S]
【3】GB 50010-2010混凝土结构设计规范[S]
【4】GB 50007-2002建筑地基基础设计规范[S]
【5】JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程[S]
作者简介：
刘旭辉（1972-），男，1994年毕业于重庆建筑大学工业与民用建筑专业，国家一级注册结构工程师，高级工程师，河北惠宁建筑标准设计有限公司
相关热词搜索： 石家庄 浅析 结构设计 某项 目长悬挑
