[摘要] 简述了某3 栋高差相差较大的超限高层采用悬挑方式处理空中连廊的设计方法。并以其中某一具体悬挑连廊为案例，对其进行了小震、中震、大震作用下的分析，并对舒适度以及节点进行分析和计算。结果表明，项目采用悬挑方式处理空中连廊是一种较好的设计方法，其既能很好地满足建筑功能又能较好地保证主体结构的抗震性能，可供类似工程参考。
[关键词] 悬挑连廊；应力比；舒适度；节点设计
1 工程概况
项目地上由 3 栋塔楼(含A 塔、B 塔、C 塔)及商业裙房组成，地下为3 层地下室。其中A 塔地面以上47 层，结构高度213.90m，在22 层通过空中连廊与B 塔相连；B 塔地面以上18 层，结构高度91.150m，在B 塔的顶部通过空中连廊与A 塔、C 塔相连；C 塔地面以上32 层，结构高度143.15m，在20 层通过空中连廊与B 塔相连。A 塔采用钢管混凝土框架-钢筋混凝土核心筒混合结构体系，B，C 塔采用钢筋混凝土框架-钢筋混凝土核心筒体系。项目建筑效果图如图1 所示，其中从左至右依次为A、B、C 塔。
工程结构设计使用年限为 50 年，设计基准期为50 年，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7 度(0.1g)，抗震设防类别分别为A 塔及裙房为乙类，B、C 塔裙房屋面以上为丙类，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅲ类。
2 悬挑连廊结构体系确定
项目连接体的特点如下：A、B、C 塔高度相差较大，动力特性也相差较大；连接体的平面宽度较小且连接高度只有一层。若采用强连接，则连接体本身无法协调两侧主楼的变形；若采用弱连接，
图1 项目建筑效果图
连接体及支座受力也很复杂。基于以上考虑，本工程A、B 塔之间的连接体采用主体结构两侧悬挑的结构方案，即从A 塔的竖向构件处设置悬挑桁架，桁架高度为一整层高，悬挑长度约24m，从B 塔处设置悬挑梁，悬挑长度约4.2m。B、C 塔之间的连接体也采用两侧悬挑的结构方案，即从B 塔的竖向构件处设置悬挑桁架，桁架高度为一整层高，悬挑长度约18.8m，从C 塔处设置悬挑梁，悬挑长度约3.5m，两侧缝宽按照中震弹性水平变形要求控制。
3 悬挑连廊结构设计
由于 A 塔结构高度最高且悬挑连廊跨度最大，A 塔悬挑连廊对结构动力影响最为不利，以A 塔最大跨度悬挑连廊结构设计为例进行阐述，其余各楼悬挑连廊设计方法同A 塔。A 塔与B 塔之间的连廊主要由A 塔设置桁架悬挑伸出，桁架悬挑长度为24m。悬挑桁架的平面和立面示意图分别如图2、3 所示。
桁架主要截面：桁架上下弦杆H800×600×30×45，腹杆H700×600×50×50，连廊上下平面内撑杆H600×300×30×30，所用钢材牌 为Q390C。此外在连廊的实际设计过程中采取了以下措施：1)所有的钢结构节点均采用刚接节点；2)为加强悬挑桁架与核心筒连接构造，在核心筒处设置端柱并设置型钢；3)为减小楼板平面内应力对悬挑桁架的不利影响，在悬挑桁架上下弦楼板平面内设置了桁架平面外拉杆支撑。采取以上措施之后，悬挑桁架具备一定的结构冗余度，且具备一定的抗连续倒塌能力。
3.1 悬挑连廊分析模型
本工程悬挑连廊设计分别采用 MIDAS Gen 软件[5]与YJK 软件进行了对比分析。在悬挑连廊设计时，依据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[3](简称抗规)第5.3.3 条规定，应考虑竖向地震作用的计算，并考虑竖向地震为主的地震组合。具体要求如下：长悬臂构件和不属于抗规第5.3.2条的大跨结构的竖向地震作用标准值，8 度和9 度可分别取该结构、构件重力荷载代表值的10%和20%。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[4](简称高规)第10.6.4 条第4 款也有此要求：7 度(0.15g)和8、9 度抗震设计时，悬挑结构应考虑竖向地震的影响；6、7 度抗震设计时，悬挑结构宜考虑竖向地震的影响。
连廊空间布置见图 4。为考察本工程大悬挑部位的竖向地震作用效应，采用竖向反应谱和时程分析方法对大悬挑部位的竖向地震作用进行补充分析。时程分析计算选用了3 条地震波，分别为天然波Chi-Chi，Taiwan_NO_1206 和Hector Mine_NO_1786 以及人工波1，上述时程分析地震波的选择符合有效峰值、持续时间、频谱特性等方面的要求。小震弹性时程分析时，竖向地震波输入加速度幅值为水平地震波的0.65 倍，即取23cm/s2。
3.2 悬挑连廊小震分析
3.2.1 桁架应力比对比
YJK 与MIDAS Gen 两种软件计算的桁架应力比对比如图5 所示。在小震作用下，两种软件计算出的应力比基本一致，且应力比均满足《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)[2](简称钢规)第5.1.1 条要求，满足小震弹性的性能目标要求。
3.2.2 桁架正常使用情况下变形对比选取荷载标准组合下桁架端部节点竖向位移进行对比，结果见表1。
为了改善悬挑连廊的外观和使用条件，根据钢结规第3.5.3 条规定，施工时可将悬挑桁架预先起拱，起拱量取恒荷载标准值加1/2 活荷载标准值所产生的挠度值，近似按计算跨度的1/450~1/500起拱。
3.3 悬挑连廊中震分析
中震作用下采用软件 YJK 计算的悬挑桁架应力比如图6 所示。提取悬挑桁架及相关构件的设计结果可知，在中震作用下，悬挑桁架能满足中震弹性的性能目标要求。
悬挑桁架与外框架柱和内部核心筒墙体相连，在中震作用下，YJK 软件的中震计算模型结果表明相关部位的墙柱配筋均能满足中震弹性的性能目标要求。
3.4 悬挑连廊大震分析
悬挑连廊大震分析采用 YJK 软件按等效弹性进行计算，大震作用下悬挑桁架的应力比如图7 所示。提取悬挑桁架及相关构件的设计结果可知，在大震等效弹性模型中，悬挑桁架仍处于弹性阶段。
悬挑桁架与外框架柱和内部核心筒墙体相连，YJK 软件的中震计算模型结果表明与悬挑桁架相连的墙柱均能满足大震不屈服的性能目标要求。
3.5 悬挑连廊舒适度分析
根据高规第 3.7.7 条规定：楼盖结构应具有适宜的舒适度。楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3Hz，竖向振动加速度峰值不应超过表2 的限值。楼盖结构竖向振动加速度可按高规附录A 计算。
根据以上规定，本项目中悬挑连廊竖向频率按3Hz 控制，竖向峰值加速度限值按0.15m/s2 控制。
3.5.1 频率计算
取悬挑连廊所在楼层作为计算模型，进行模态分析，前4 阶模态见表3。悬挑连廊第1 阶竖向模态的频率为3.22Hz，满足大于3Hz 的规范要求。
3.5.2 竖向加速度计算
采用 MIDAS Gen 进行时程分析，模拟连续行走对连桥结构的振动影响。分析思路为，找出在重力荷载下挠度最大的节点，然后在该节点上施加连续步行时程荷载，进行时程分析，最后考察该点的竖向峰值加速度。采用连续步行的时程荷载(IABSE)，重复30 次。悬挑连廊重力荷载下最大挠度点如图8 所示，作为步行时程荷载施加点。
对计算结果进行统计，在IABSE 时程荷载下，连廊挠度最大点的竖向加速度时程曲线见图9。其中塔间连廊竖向峰值加速度为0.061m/s2，满足规范0.15 m/s2 的最大限制要求。
根据以上分析，本项目中的悬挑连廊的第1 阶竖向振动频率不小3Hz，从连续步行荷载的时程分析结果表明，竖向峰值加速度不大于0.15m/s2，满
足舒适度的要求。
3.6 抗连续倒塌分析
根据高规第 3.12.1 条规定，安全等级为一级的高层建筑应满足抗连续倒塌概念设计要求。有特殊要求时可采用拆除构件法进行抗连续倒塌设计。本工程采用拆除构件法，通过逐个拆除悬挑桁架腹杆，分析悬挑桁架在偶然荷载作用下抗连续倒塌的能力，以拆除桁架支座位置关键腹杆为例，给出具体分析结果。
3.6.1 关键构件选取
选取图 10 中以星形圈出的构件作为拆除构件法的关键构件。
3.6.2 拆除构件法分析结果
拆除图 10 中的桁架关键腹杆①杆，拆除①杆后，悬挑桁架应力比如图11 所示。由图11 可以看出，拆除关键构件①杆后，由于支撑缺失，造成内力重分布，相邻构件的应力比均有所增大，但所有杆件最大应力比均小于1，即悬挑桁架仍基本处于弹性工作状态。
通过采取以上抗连续倒塌分析结果表明，本工程悬挑桁架不仅具备一定的结构冗余度，还具备一定的抗连续倒塌能力。
3.7 悬挑桁架的拉应力传递
悬挑桁架在主楼范围内由于没有斜腹杆，在主楼的上下层主梁内会产生较大的拉压应力，为保守起见，不在计算中考虑楼板来传递悬挑桁架的拉应力，悬挑桁架上下弦杆的拉压应力仅由与桁架相连的楼面钢梁来承担，为了能有效将拉力传递到核心筒墙体，与悬挑桁架相连拉力较大的楼面钢梁在核心筒连接部位设置型钢柱，楼面钢梁与型钢柱采用刚接，在核心筒设置型钢暗梁。
3.8 连廊缝宽确定
(1)根据抗规第6.1.4 条，按照100m 高度计算，
连廊缝宽Wc=[100+(100-15)×20/4]×0.7=367.5mm。
(2)提取A 塔和B 塔中震弹性分析下连廊端部最大水平位移，见表4。
图12 连廊缝宽处理节点
3.9 节点设计
本工程的桁架节点形式采用全焊接节点，节点区域受力复杂，为保证节点承载力具有足够的冗余度，且依据强节点弱构件的原则，构造上精心设计，保证节点在最不利工况(大震)下不破坏，满足承载力极限状态设计要求。
现以桁架支座位置节点为例，采用ABAQUS软件建立其三维实体有限元模型，考察在控制工况下，钢构件节点的应力、应变状态；钢构件是否屈服，如果屈服，屈服区域大小；力的传递效果如何等。同时根据分析结果，对节点区提出相应的构造加强措施。
3.9.1 分析节点选取
对于悬挑桁架，考虑到其端支座处节点受力较为复杂，现以其上弦杆支座节点1(图3)为例进行有限元分析，并给出分析过程及结果。节点1 三维模型如图13 所示。
3.9.2 构件边界条件选取
位移的边界条件：柱底采用固定端约束，柱顶
采用简支端约束。力的边界条件：从 YJK 模型中提取出起控制作用的荷载，采用静力加载的方式施加到节点的有限元模型中。对钢梁及钢斜撑施加荷载时，在截面中心设置控制点，控制点与该截面耦合约束，荷载施加在控制点上。
3.9.3 有限元分析结果
根据构件内力情况，选取最不利工况对节点1在大震作用下的工作性能进行分析，节点1 的应力应变云图如图14，15 所示。
从以上有限元分析结果可以看出：1)除局部应力集中部位，钢构件大部分应力水平处于150~250MPa 左右；2)桁架的上弦杆SXG 及斜腹杆XC1的应力水平处于150~250MPa 左右，处于弹性状态；3)框架梁GKL4 在该工况下内力较大，上下翼缘角部由于应力集中进入了塑性，但塑性范围较
小、塑性程度低，塑性应变为2.89×10^4，其余应力水平处于300MPa 以下；4)在节点区域，钢管柱应力水平大部分在200MPa 左右，内隔板应力水平为200~250MPa，有效地传递了应力。
节点有限元分析表明：1)节点及柱和斜撑内加劲板设置合理，在荷载作用下均未发生屈曲；2)节点传力合理，应力传递均匀，传力路径与节点设计思想保持一致；3)大震作用下，节点满足承载力极限状态要求，满足强节点的设计要求。
4 结语
针对本工程结构设计具体特点，对结构进行了一系列完整可靠的结构分析。结果表明，连廊悬挑桁架及相关构件均能满足中震弹性以及大震不屈服的性能目标，可见采用悬挑方式处理空中连廊不失为一种较好的设计方法，其既能很好地满足建筑功能又能较好地保证主体结构的抗震性能。
[1] 建筑结构荷载规范: GB 50009—2012[S]. 北京: 中国建筑工业出版 , 2012.
[2] 钢结构设计规范: GB 50017—2003[S]. 北京: 中国计划出版 , 2003.
[3] 建筑抗震设计规范: GB 50011—2010[S]. 2016 年版.北京: 中国建筑工业出版 , 2016.
[4] 高层建筑混凝土结构技术规程: JGJ 3—2010[S]. 北京:中国建筑工业出版 , 2011.
[5] MIDAS Gen 用户手册(中文)[M]. 北京: 北京迈达斯技术有限公司, 2010.
声明：本站部分文章及图片源自用户投稿，如本站任何资料有侵权请您尽早请联系jinwei@zod.com.cn进行处理,非常感谢！