某悬挑钢框架结构的设计

Vol .43No .122 0 1 7 年 4 月

SHANXI ARCHITECTURE

Apr . 2017

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文章编号：1009-6825 (2017) 12-0045-02

某悬挑钢框架结构的设计

贾绍雷

(深圳市国腾建筑设计咨询有限公司，上海200336)

摘要:采用

PKPM 和ETABS 结构设计软件，对某悬挑钢框架结构进行了计算分析，确定了悬挑钢框架结构及其与主体结构相连

构件的抗震性能目标,得出悬挑钢框架结构在不同地震水准作用下均安全可靠，正常使用工况下挠度满足规范要求的结论。

关键词:悬挑钢框架结构,抗震性能目标，地震水准,PKPM 中图分类号:TU 318

钢结构具有重量轻，施工速度快，强度高，抗震性能好的优 点，近年来，已经在大跨度屋盖、连桥、悬挑结构中得到广泛应用。 其中，悬挑钢结构能够有效解决单边长悬挑形式的建筑造型，实 现建筑师的设计理念。以上海市某商业建筑为例,对该项目中与 主体结构相连接的悬挑钢结构部分进行了结构计算分析。

1项目概况

本工程为商业建筑，总高41.5 m ，地下2层，地上8层，地上

建筑面积为11 294 m 2,主体结构采用了框架一剪力墙结构体系， 在建筑的西北侧采用了悬挑钢结构与主体结构相连，最大悬挑长 度为24 m ,项目的难点为悬挑钢结构的设计。

结构设计使用年限为50年，安全等级为二级,结构重要性系 数1.0。抗震设防烈度为7度，基本地震加速度为0. lg ，抗震设防 类别为重点设防类（乙类），设计地震分组为第一组;场地类别为 IV 类，特征周期为〇. 9 s [1]，结构阻尼比取0. 05,结构小震下周期 折减系数为0.8,地下室顶板作为上部结构的嵌固端。乙类建筑 应按本地区抗震提高1度的要求加强其抗震措施，因而框架抗震 等级[2]为二级，剪力墙抗震等级[2]为一级。本工程基本风压为 0.55 kPa ，地面粗糙度按B 类，风荷载体型系数取1.3。

2悬挑结构布置

1)悬挑部分采用钢框架结构，受整体建筑布局影响，悬挑结

构布置为双向悬挑，交汇在⑭轴，并设置5根钢斜撑，共同承担倾 覆力矩，详见图1，图2。同时斜撑的设置可以有效的提高悬挑钢 结构的强度和刚度，有利于钢框架结构各项指标满足规范要求。

悬挑部分位于建筑的M 层~ L 8层，其中斜撑穿越14层~ L 6 层，斜撑的角度均为57°,见图1。斜撑平面布置见图2,图3为钢 框架三的剖面图，钢框架三的悬挑长度为23.69 m 。斜撑两端与 悬挑钢框架及主体结构均采用了刚接的做法。

图1悬挑钢结构前视图

2)悬挑方向钢框架主梁均为箱形钢梁，其余钢梁均为热轧H 形钢梁，钢柱均为箱形钢柱，斜撑为箱形钢斜撑，楼板采用压型钢 板组合楼板。在M 层及L 7层楼板平面内设置钢水平支撑，以保 证悬挑结构平面内的刚度钢材强度等级均为Q 345B 。

文献标识码:A

3)⑭轴，⑭轴及⑭轴连线为主体结构及悬挑结构的分界线， 考虑到型钢混凝土结构较常规混凝土结构具有更高的承载力，上 述轴线上的主体结构构件采用了型钢混凝土柱及型钢混凝土梁，

型钢混凝土柱截面为1 400 mm x 1 400 mm ,内部型钢截面尺寸为 800 x 800 x 45 X 45,由首层到地上8层；型钢混凝土梁截面为 500 mm X 1 000 mm ,内部型钢截面尺寸为700 X 200 X 14 X 16，由 地上4层到地上8层，梁柱截面尺寸均不变。同时主体结构两跨 范围内均采用了型钢混凝土框架结构，以保证力的有效传递。

GKJ -3详图

图3典型钢框架剖面图

3悬挑结构传力机理

悬挑结构正常使用工况及地震作用工况下整体倾覆力矩通

过钢框架梁及钢斜撑传递到型钢混凝土柱，通过节点处弯矩平 衡,分配到对应的型钢混凝土梁，并进一步传递到远端的型钢混 凝土柱;悬挑结构正常使用工况下的竖向荷载则由型钢混凝土柱 传递到基础。

4悬挑结构抗震性能目标

建筑抗震设防类别属重点设防类，位于角部的悬挑结构属于

抗震薄弱环节,需要进行性能化设计，以确保悬挑结构在不同地 震水准作用下均处于安全的状态。

结合建筑高度，悬挑层数，悬挑长度，悬挑做法等因素，按文

收稿日期:2017-02-11

作者简介:贾绍雷（1983-),男，硕士

,工程师

2 0 1 7年4月

山西建筑

献[2]要求将悬挑结构及其与主体结构相连构件抗震性能目标设 为D级，即在多遇地震作用下各构件均保持弹性，在设防烈度地 震作用下各竖向构件抗剪及抗弯不屈服，在预估的罕遇地震作用 下竖向构件抗剪截面满足规范要求，主体结构的型钢混凝土柱不 屈服,允许部分竖向构件进人屈服阶段。

5悬挑结构计算分析

采用PKPM软件对悬挑结构在小震，中震，大震及水平风向 工况下受力情况进行了计算分析。采用ETABS软件对结构正常 使用工况下的挠度进行了计算，同时对悬挑部分按文献[2]进行 了竖向上浮风荷载计算。

悬挑钢结构需要各构件安装完毕，刚度整体形成后才能承受 自身重量及其他附加荷载，因而PKPM计算时采用了一次性加载 模式来考虑该悬挑钢结构的受力。

5.1多遇地震作用分析

1)整体结构周期分析。

对整体结构进行了计算，得到结构振动周期，提取前6阶周 期值如表1所示。

表1结构周期

周期周期值/s平动系数(z+ 10

T x0. 967 20. 99(0. 88 +0.11)

t20. 835 80. 44(0. 1 +0. 34)

0. 7 50. 72(0.16+0. 56)

T a0. 284 10. 93(0. 84+0. 1)

t50. 249 40.45(0. 32+0.13)

0.210 50.85(0.06+0.79)

从表1可以看出，结构前三阶周期均处于地震影响系数曲线 平台段，导致整体结构地震力较大。

结构前三阶振型均为整体结构的平动和扭转，可见悬挑钢框 架结构刚度大，能够与主体结构协同受力。第四振型为平动，结合 整体结构三维振动简图，可见塔楼中段楼层呈凹凸型弯曲，悬挑段 则呈现出竖向平动的趋势，与剖面为倒L形结构的第一振型相似。第四振型的频率为3.52 Hz，大于3 Hz，满足舒适度的要求。组合 楼板中钢梁截面尺寸较大，挠度小，可以忽略楼板振动问题。

如表2所示，Z向地震作用下第四振型的有效质量参与系数 达到10.37% ,需要注意地震作用下该竖向平动引起的倾覆弯矩，因而在考虑竖向地震工况的同时，计算中P—4效应带来的内力 放大效应。

表2结构振型质量参与系数

有效质量系数/%Z向地震F向地震

振型170.48.96 20.8527.06 39.3443.82 410.37 1.13 5 1.800.80 60.1911.21

2)多遇地震作用内力分析。

多遇地震工况下，悬挑结构中钢柱，钢梁，钢斜撑及与悬挑结构相连接的型钢混凝土梁和型钢混凝土柱受力均满足规范要求，处于弹性状态。钢斜撑最大应力比为〇.71,钢框架梁最大应力比 为〇.86,钢柱的应力比为0. 73 ,钢构件应力比均不超过0. 9。型 钢混凝土柱均为构造配筋率0.8%，型钢混凝土梁最大配筋率2.39%，其中屋顶层型钢混凝土梁配筋最大。

5_ 2设防烈度地震作用内力分析

按照中震不屈服的要求对悬挑结构及其连接构件进行了分析。

中震不屈服条件下钢斜撑最大应力比为〇.72，钢框架梁最大 应力比为〇.75，钢柱的应力比为0. 68，型钢混凝土柱均为构造配 筋率0. 8%，型钢混凝土梁最大配筋率1.74%。计算结果显示，总

体上中震不屈服条件下钢构件的应力比小于多遇地震工况下的 应力比。

5.3罕遇地震作用内力分析

罕遇地震下的特征周期为1.1s,不考虑周期折减。

计算结果表明型钢混凝土柱满足大震不屈服的要求,配筋率 在0.8%,仍处于弹性状态，普通钢柱处于不屈服的状态,而型钢

混凝土梁作为耗能构件，部分已经进人屈服阶段。

5.4正常使用工况挠度计算

正常使用工况下挠度验算采用了 ETABS软件。恒荷载+活 荷载标准值组合工况下悬挑钢结构14层端部的挠度值,柱底最 大为48 mm,按照悬挑跨度24 m考虑，则挠度与跨度比为1/500, 满足文献[3]中对主梁或桁架1/400的要求。

活荷载标准值工况下柱底最大为15 mm。按照悬挑跨度24 m 考虑，则挠度与跨度比为1/1 600,满足钢结构规范中对主梁或桁 架1/500的要求。

5.5 悬挑结构上浮风荷载计算

考虑到悬挑结构存在向上的风吸力，按文献[2]4.2. 的风 载体型系数进行了竖向上浮风荷载计算，风荷载体型系数取2. 0, 近似模拟风振时程分析。通过在ETABS软件模型中14层楼板施 加向上的风荷载来实现。

向上风荷载引起的挠度值在2 mm，同时整体上悬挑结构在 恒荷载+ 1.4倍向上风荷载组合作用下钢结构构件应力比不足 〇.3，可知向上风荷载不是控制工况，对结构影响较小。

6结语

通过对悬挑结构在多遇地震、设防烈度地震、预估的罕遇地 震及风荷载下进行计算分析，表明悬挑钢结构在地震作用及风工 况下均处于安全状态，正常使用阶段挠度满足限值要求,悬挑结 构及其连接构件能够较好的实现预定的抗震性能目标。

上述计算也表明，钢结构在长悬挑结构中具有较大优势，容 易满足建筑师对各种新颖造型的要求，可以在实践中进一步推广 应用。

参考文献：

[1] DGJ08 —9一2013,建筑抗震设计规程[S].

[2] JGJ3 —2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S].

[3] GB50017—2003,钢结构设计规范[S].

The design of a cantilever steel frame structure

Jia Shaolei

(Shenzhen Guoteng Architectural Design Consulting Limited Company,Shanghai200336, China)

Abstract ：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.

Key words ：cantilever steel frame structure, seismic performance objectives, seismic performance, PKPM