不明觉厉！西咸新区1A楼大悬挑结构设计

西咸新区1A楼为超高层办公楼，位于西咸新区能源金贸区内，北临能源三路，南临能源二路，东侧为城市主要干道上林路，西侧为金融一路。总建筑面积约为5.81万㎡，建筑高度为150m，结构高度为150m。地上31层，建筑效果图及结构剖面图见图1及图2。

图1 建筑效果图 

图2 结构剖面图

图3  建筑实景图

结构标准层平面布置为方形，如图4所示，采用纯钢框架－中心支撑核心筒－悬挑桁架结构体系，具有偏心布置、尺寸突变、竖向构件不连续等特性，属于特别不规则建筑，需要进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查的项目。

图4 标准层结构平面布置

26层以上楼层的悬挑，采用三层转换桁架来实现，通过三层转换悬挑桁架以支托桁架上部的钢柱，桁架自核心筒悬挑12.4m，在25层核心筒角部设置十字交叉中心支撑，以便均匀地将上部荷载传递至下部竖向构件，如图5（b）所示。两部分悬挑桁架的弦杆及腹杆均采用焊接箱形截面，下弦杆最大截面为□850×700×40×40,高位长悬挑结构整体布置如图6所示。图7~10为悬挑桁架现场施工图。

图5 悬挑桁架单榀布置图

图6　高位长悬挑结构整体布置

图7  23~25层悬挑桁架施工现场图

图8 26层以上悬挑桁架施工现场图

图9   悬挑桁架安装完成图

结构设计主要难点为：1）地处高烈度地震区（8度0.2g），Ⅲ类场地，特征周期较长，设计地震力较大，结构体系的选择比较关键；2）结构竖向构件不连续，存在大量楼层高位悬挑，悬挑楼层的结构布置以及竖向地震力的计算较为复杂；3）采用钢框架支撑体系，由于竖向构件不连续而导致二道防线及结构耗能机制比较复杂，需要详细对其进行分析；4）确定结构高位悬挑桁架部分兼顾安全性与经济性的抗震性能目标；5）结构核心筒采用人字形中心支撑，人字形中心支撑相交处框架横梁不平衡力的验算较难满足规范要求。

针对结构高位长悬挑采取了以下处理措施：1）高位长悬挑结构，设计中对悬挑部位进行了详尽的计算分析，通过竖向弹性时程分析，得出了悬挑桁架的竖向加速度放大系数。2）设计中对悬挑桁架杆件进行了加强，严格控制其应力比。悬挑桁架的构件计算时，采用刚性楼板和零刚度楼板假定时的包络设计；楼板采用弹性膜假定作补充计算，并考虑楼板可能开裂对面内刚度的影响。3）对悬挑层楼板进行加强处理，设计中加大了悬挑楼层的楼板厚度，楼板采用双层双向配筋进行加强。在局部桁架下弦悬挑位置的楼层处，设置水平支撑。4）对悬挑结构部位楼板的竖向振动舒适度进行了补充验算。

本工程框架-中心支撑核心筒体系中，无支撑跨的钢梁类似双肢剪力墙中的连梁，在大震作用下将先于其他普通框架梁进入塑性，可起到与偏心支撑耗能梁端相同的耗能作用，现场安装图如图11所示。

图11  中心支撑核心筒现场图

通过结构的应力比分布大小基本可以确定整个结构构件的屈服及耗能顺序。在中震乃至大震作用下，支撑框架间的框架梁（类似于剪力墙连梁作用）先行屈服耗能，而后是支撑进入屈曲耗能，当支撑破坏后再由纯框架作为最后一道防线，抵抗剩余的地震作用。

在计算多道防线的调整系数时，应事先考虑支撑框架间梁的屈服；对于悬挑楼层，应按照去掉悬挑支撑的模型确定多道防线的调整系数；其次，对各层模型中的外围框架柱地震剪力进行单独的统计并汇总，然后与分段的总地震力进行比较，以此确定外围框架柱的二道防线调整系数。

本工程采用钢管混凝土柱框架-钢中心支撑结构体系，超限结构，目前规范还没有性能化设计的具体规定，为确保结构达到规范规定的三水准设防目标，参照《高层民用建筑钢结构技术规程》（JGJ 99—2015），参照抗震性能目标C，结合本项目的特点和超限专家的意见，主要对悬挑桁架以及和悬挑桁架直接相连的竖向构件提出更为严格的性能要求，此部分构件在小震和中震作用下均应处于弹性工作状态，大震时为不屈服状态。

由于设计中，人字形中心支撑杆件将强轴位于面外且面内使用防屈曲杆减少了相应的长细比（图12），故支撑杆件两个方向的长细比均比较小；而且大震弹塑性分析表明，普通支撑在大震中发生屈曲，但基本处于IO~LS性能水平之内，属于轻度损坏状态，故在不平衡力的设计中压杆考虑50%的临界力进行了相应验算。

图12   中心支撑实景图

在悬挑桁架上弦杆以及斜腹杆的水平拉力作用下，悬挑桁架部位混凝土楼板面内也将产生很大的水平拉力作用。为此，专门针对建筑悬挑和收进的楼层，进行了竖向荷载作用下楼板平面内应力分析。分析时，楼板采用弹性膜单元，仅考虑楼板的平面内刚度。具体分析详见论文正文。

对悬挑桁架A及悬挑桁架B悬挑部位考虑个别腹杆失效后，验证结构是否具有足够的抗连续性倒塌能力，悬挑桁架杆件拆除见图13。

图13  悬挑桁架杆件拆除示意

专家提出以下意见：1）悬挑桁架应补充防连续倒塌验算；按实际计算长度复核三层通高钢桁架腹杆的承载力；2）人字形中心支撑的框架梁应复核其承载力；3）进一步复核外框钢框柱二道防线要求；4）竖向地震作用应取竖向时程分析结果与规范方法的较大值。

针对超限专家的意见，采取的主要措施如下：1）采用YJK软件进行了防连续性倒塌验算。2）人字形中心支撑的框架梁不平衡力的设计中压杆考虑50%的临界力进行验算，以满足不平衡力的验算。3）为详细准确地统计外围框架柱承担的地震剪力，对各层模型中的外围框架柱地震剪力进行单独的统计并相加汇总，以此确定外围框架柱的二道防线的调整系数。4）竖向地震作用计算时，取竖向时程分析结果与规范方法的较大值。

钢结构具有优良的装配能力，现场安装及施工速度非常快，由钢结构加工到整体竣工不到9个月时间，在保证质量的前提下大力度地缩短了施工周期。图14、图15为一些悬挑桁架及细部节点现场施工照片。

 图14   悬挑桁架现场安装图片

     图15   隔墙砌筑及细部照片

注：原文刊登于《建筑结构》2020年第14期，题目：西咸新区1A楼超限结构设计难点解析、西咸新区1A楼悬挑结构竖向地震分析及设计要点；作者：张涛，王洪臣，褚玲，作者单位：中国建筑西北设计研究院有限公司。