石家庄科技创业中试基地研发中心大悬挑结构优化设计

摘　要　建于石家庄市高新技术产业开发区的科技创业中试基地研发中心在建筑的顶部2层范围内局部悬挑，悬挑长度约20m，为大悬挑结构，结构扭转效应显著。经过结构设计优化，最终克服了扭转，同时采用钢桁架结构方案实现了悬挑，并且根据多种计算分析，采取加强措施，提高了结构安全度。

关键词　悬挑；结构优化；钢桁架

1　工程概况

石家庄科技创业中试基地研发中心位于石家庄市高新技术产业开发区（东区）黄河大道，功能是为企业的技术开发提供科技开发平台，集合办公、餐饮、娱乐休闲、停车场和设备用房等诸多功能，总建筑面积约72000m2。该项目为石家庄科技中心的二期项目，一期为石家庄市科技服务中心（已建成），两栋建筑通过3层连廊和22～23层悬挑部分连接，建筑效果图如图1所示。

石家庄科技创业中试基地研发中心地上23层，地下2层，屋顶标高91.6m，高宽比为3.4，长宽比为2.46；其地下两层为地下车库和设备用房，地上1层为大厅，2～4层为餐厅和娱乐场所，4～21层为企业孵化用房，22～23层为游泳池、职工健身中心和会展中心；顶部二层（22～23层）局部相对主体挑出长度约20.0m，与原有建筑（一期工程）完全脱开；悬挑部位作为网球场地，高度为主体顶部两层高度的和。标准层结构平面布置图、悬挑层结构平面布置图分别如图2、图3所示，建筑剖面图如图4所示。

图1 建筑效果图

图2 标准层结构平面布置图

图3 悬挑层结构平面布置图

图4 建筑剖面图

该工程抗震烈度为7度，第一组，设计基本地震加速度0.10g，抗震设防分类标准为标准设防类建筑，建筑结构的安全等级为二级，结构重要性系数1.0，设计使用年限50年。该地区基本风压0.40kN／m2，基本雪压0.30kN／m2。

资料显示，到目前为止，已建成的、具有代表性的悬挑结构不多，本工程中，结构主体为混凝土结构，悬挑部分为钢结构，并且在建筑顶部局部悬挑和悬挑长度大为其的主要特点。

悬挑结构为竖向不规则结构，竖向刚度突变，结构上部质量大，而下部平面尺寸小，造成结构整体的抗扭刚度较小，扭转效应显著；而且悬挑部分对主体结构产生很大倾覆力矩，对结构抗侧体系不利；此外悬挑结构的冗余度低，一旦发生悬挑根部破坏，悬挑部分就会出现倒塌；因此设计中应给予足够的重视。

2　结构设计方案

2.1　初始结构方案

主体结构采用框架－抗震墙结构，其东西两交通核布置抗震墙，墙厚大部分为400mm；框架柱截面主要为1200mm×1200mm和1000mm×1000mm；混凝土等级：基础顶至21.250m（6层）采用C50，21.250～ 50.050m（14层）采用C40；50.050m以上采用C30；楼板、屋盖采用抗震性能好的现浇钢筋混凝土主次梁结构，标准层楼板厚度大部分为110mm和120mm，混凝土等级采用C30；22～23层局部悬挑部分采用钢桁架（Q345）层高10.6m。结构平面布置如图5所示，悬挑部分水平构件布置图及钢桁架示意图如图6、图7所示。

图5 平面布置图

图6 悬挑部分水平构件布置图

图7 GHJ－1示意图

初设阶段采用三维空间分析软件SATWE（2010版）对结构进行试算，计算分析主要参数为：抗震设防烈度为7度（0.10g），建筑场地类别为Ⅲ类场地，抗震等级大部分为二级，自21层（标高72.450m）以上开始结构构件抗震等级为一级。局部大开洞范围（21层主体结构中的游泳池部分）采用弹性板；周期折减为0.8；中梁刚度放大系数2.0；梁端弯矩调幅系数0.85；连梁刚度折减系数0.6；地震力分水平X及Y两个方向以及竖向计算，考虑偶然偏心，考虑双向地震，同时考虑扭转耦联影响，结构振型数取36；计算分析采用总刚分析方法。主要数据结果如表1、表2所示（注：Qox和QoY为结构X及Y向水平地震剪力；Ge为结构重力荷载代表值）。

从结构自振周期和扭转系数可知，结构第一周期为扭转周期，《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3 4.3.5规定“结构扭转为主的第一周期与平动第一周期之比不应大于0.9”，该结构中T1／T2＝1.04，大于0.9；同时，最大水平位移和层间位移比2.69，大于1.4；层间位移角1／659，大于1／800。

从以上结果可以看出，按常规方式布置抗震墙的结构方案扭转效应明显，结构布置不合理，原因是由于悬挑结构造成结构平面、立面严重不规则，因此造成在地震作用下结构扭转严重。

表1 结构自振特性

表2 结构在多遇地震作用下的变形

2.2　结构优化方案

通常情况下，结构工程师应尽量避开增加结构复杂程度的做法，基于本工程具体情况，见图8计算模型，为了克服上述结构方案中扭转问题，经过多种结构分析，在原建筑方案不进行重大调整的前提下，经过与建筑师协商，采用在主体结构东西两侧增加两道抗震墙（如图9所示）的处理方案。

此外，悬挑部分为一个网球场地，建筑提出大空间的要求，因此在四榀框架范围内沿横向布置3榀钢桁架，该榀钢桁架在楼层标高处与钢骨混凝土梁及钢骨混凝土柱刚接，在3榀钢桁架端部布置一榀纵向钢桁架，同时在结构的顶部和底部布置平行钢梁和水平交叉支撑，使得该3榀钢桁架的上弦杆、下弦杆也分别成一个平面桁架，从而形成一个稳定的空间桁架。

考虑到结构的不规则性，方案优化后，分别采用两种不同力学模型的三维空间分析软件SATWE和SAP2000进行结构计算，计算中需要考虑竖向地震力作用；同时通过SAP2000中关于钢结构的设计优化功能自动计算出悬挑钢桁架结构的构件尺寸。

图8 SAP2000计算模型

图9 结构平面图

多遇地震作用下，两个软件的计算结果主要数据如表3、表4所示。

图10和图11分别为SAP2000和SATWE计算模型的第一、第二和第三阶的三维振型图，可以发现两个分析软件计算得到的结构相同，均为第一、第二阶振型以平动为主，第三阶振型扭转为主；同时得到结构自振特性几乎相同，说明结构布置合理，计算模型可信（SAP2000中没有类似SATWE给出的扭转系数，经和PKPM、金土木的技术客服沟通，两者的在概念有不同意义）。

表3 结构自振特性（SATWE）

表4 结构自振特性（SAP2000）

图10 SAP2000计算模型图

图11 SATWE计算模型图

由结果可以看出，方案优化后，第一、第二阶振型均以平动为主，第三阶振型扭转为主，结构扭转为主的第一周期与平动第一周期之比T3／T1＝0.886，小于0.9；同时，最大水平位移和层间位移比为1.21，小于1.4；层间位移角1／1444，小于1／800；优化设计效果明显。结构在多遇地震作用下的变形计算结果见表5。

表5 结构在多遇地震作用下的变形（SATWE）

另外，通过计算发现，在使用SATWE计算中，施工顺序的不同，对有悬挑结构的计算相差很大，本工程分别使用“一次加载”和“模拟施工加载3”，结果表明，使用后者的计算无法得到悬挑构件的正常分析结果，因此在有大悬挑结构设计中，一定要注意“施工顺序”参数的选取。

通过SAP2000优化后的截面再进行中震作用计算，控制悬挑构件根部的应力比，从而保证在中震作用下悬挑部分构件的不屈服，保证结构的安全。

2.3　构造加强措施

为了保证悬挑结构的钢桁架和主体结构可靠连接，与钢桁架上下弦杆对应的主梁采用钢骨混凝土梁，截面为800mm×1100mm，内设工字型钢，截面如图12所示；同时支撑悬挑结构根部的柱也设计为钢骨混凝土柱，内设双工字型钢，截面如图13所示；计算中严格控制支撑悬挑结构根部的柱的轴压比，提高其延性，提高其安全度，同时防止出现在倾覆力矩作用下，距离悬挑结构远处的柱出现拉力，形成脆性破坏，因此也采用双工字型钢的钢骨混凝土柱。

主体结构中局部和悬挑结构相连的第一跨内，对应3榀钢桁架位置，在23层内设置斜撑，同样采用钢骨混凝土，形成第二道防线，增强结构的安全和刚度。悬挑结构和主体连接示意图如图14所示。

图12 型钢混凝土柱

图13 型钢混凝土梁

图14 钢桁架与主体连接示意图

钢桁架中的构件全部采用焊接箱型截面，更好地抵抗扭矩作用。和钢桁架相邻的22层和顶层楼板厚度分别设计为150mm和200mm，双层双向配筋，加强楼板的水平刚度，协调变形，有效传递水平力，同时为减轻悬挑部分结构自重，钢桁架部分楼板采用型钢混凝土非组合楼板，屋顶采用压型钢板。

3　关键部位设计

节点设计是悬挑结构的关键，尤其是悬挑部分与主体结构的连接节点，为了有效直接地传递内力，钢桁架的上下弦杆在楼层处的相应位置采用全熔透坡口焊缝和钢骨混凝土柱、钢骨混凝土梁中的型钢等强刚性连接，通过渡板传递钢骨混凝土梁弯矩，柱子在梁翼缘位置加设加劲板，确保内力在柱节点有效传递，钢桁架的上下弦和主体结构的连接位置及节点如图15至图17所示。

图15 悬挑钢桁架与主体结构连接示意图（竖向）

图16 节点1

图17 节点2

4　结论

（1）悬挑结构竖向不规则，上部尺寸大于下部尺寸；结构质量分布不均匀，上部质量大于下部质量；上部结构刚度大于下部结构刚度，因此结构扭转效应明显，设计中可以通过调整结构布置，减小悬挑部分质量，克服结构的扭转效应。

（2）悬挑结构底部倾覆力矩大，应注意竖向构件的设计，通过计算分析控制相应位置竖向构件的轴压比，防止出现轴压比过大或者出现拉力的情况，通过构造措施增加其延性。