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1、带高位大悬挑的高层建筑水平位移分析 赵建敏 万怡秀 中铁建工集团有限公司设计院 北京富力城房地产开发有限公司 摘 要： 目前结构规范中对于竖向荷载作用下结构水平位移计算和控制没有明确要求, 常规高层建筑无需考虑竖向荷载对水平位移的影响, 但对于带高位大悬挑的建筑来说, 悬挑部位竖向荷载对结构水平位移影响较大。以某项目为例, 对带高位大悬挑的框架-核心筒超高层结构的水平位移进行了分析研究, 主要分析了带高位大悬挑的高层建筑的水平位移特征、楼板刚度对水平位移的影响、核心筒与框架之间的变形协调等, 这些都与常规高层建筑有明显不同。在分析研究的基础上, 提出了对带高位大悬挑的框架-核心筒超高层结构控制
2、水平位移和层间位移角的方法, 总结归纳了带高位大悬挑的高层建筑在进行设计时的一些要点及相应的建议。关键词： 高位大悬挑; 竖向荷载; 水平位移; 楼板刚度; 作者简介：赵建敏, 本科, 总工程师, Email:。Analysis on horizontal displacement of high-rise buildings with high-position large cantileverZhao Jianmin Wan Yixiu The Design Institute of China Railway Construction Engineering Group; Beijing
3、 R&F Properties Development Co., Ltd.; Abstract： At present, there are no clear requirements for calculation and control of structural horizontal displacement under vertical loads. The effect of vertical load on the horizontal displacement does not need to be considered in design of conventional hig
4、h-rise buildings, but for the buildings with high-position large cantilever, the vertical load on the cantilever has a great impact on the horizontal displacement of the structure. Taking a project as an example, the horizontal displacement of super high-rise frame-corewall structures with high-posi
5、tion large cantilever was analyzed, mainly including its horizontal displacement characteristics, impact of floor stiffness on horizontal displacement, and deformation coordination between corewall and frame. These features were obviously different from those of conventional high-rise buildings. On
6、the basis of analysis, methods were put forward for horizontal displacement control and interlayer displacement angle control on super high-rise frame-corewall structures with high-position large cantilever. Some key points and corresponding suggestions were summarized for high-rise buildings with h
7、igh-position large cantilever.Keyword： high-position large cantilever; vertical load; horizontal displacement; slab rigidity; 0 引言高层建筑混凝土结构技术规程 (JGJ 32010) 1 (简称高规) 规定了在正常使用条件下, 高层建筑应具有足够的刚度, 避免产生过大的位移而影响结构的承载力、稳定性和使用要求;高规规定了风荷载及地震作用下楼层最大层间位移与层高之比的限值, 规定了悬挑结构位移计算中, 悬挑部位的楼层宜考虑楼板平面内的变形, 但是高规中没有对竖向荷载作用
8、下结构水平位移计算和控制做出明确要求。对于常规结构来说, 竖向荷载对于结构水平位移的影响是可以忽略的。带高位大悬挑的高层建筑一般具有悬挑长度大、悬挑部位竖向荷载大的特点, 结构形式一般为悬挑大桁架2, 或者为悬挑桁架结合下部斜撑或上部斜拉杆3。目前在结构设计中, 设计人员往往会忽视此类建筑在悬挑部位竖向荷载作用下引起的水平位移, 或者仅采取结构“预起拱”或“反变形”的措施, 可能会导致结构变形或受力存在一定问题。框架-核心筒结构是高层建筑中常见的有代表性的一种结构体系, 本文以带高位大悬挑的框架-核心筒超高层结构为例, 分析了在竖向荷载及其与水平荷载 (风荷载或地震作用) 组合作用下结构的水平
9、变形特征, 研究了悬挑部位竖向荷载作用下结构的水平位移特征, 楼板面内刚度对层间位移角的影响及对协调核心筒和框架水平位移的作用, 在分析研究基础上提出了控制层间位移角的方法, 总结了带高位大悬挑的高层建筑在进行设计时需要注意的一些相关问题和建议。1 工程概况某项目地上 35 层, 层高均为 4.2m, 总高度 147m, 抗震设防烈度为 6 度, 设计基本地震加速度为 0.04g, 场地类别为类, 特征周期为 0.45s, 抗震设防类别为丙类, 基本风压为 0.45k N/m, 工程设计使用年限为 50 年。结构体系为顶部带大悬挑的框架-核心筒结构, 悬挑部位高 25.2m (6 层高) 、长
10、 18m, 悬挑结构形式为“1 层高的桁架结合下部斜撑”, 共 4 榀, 分别与框架位置和核心筒外墙位置对应。建筑实景图见图 1 (a) , 结构竖向剖面见图 1 (b) , 结构三维图见图 2, 悬挑层结构平面见图 3。图 1 建筑实景及结构剖面图 下载原图图 2 结构三维图 下载原图图 3 悬挑层结构平面图 (阴影区域为悬挑) /m 下载原图墙、柱混凝土强度等级自下而上由 C60 渐变为 C30, 梁、板混凝土强度等级自下而上由 C40 渐变为 C30, 型钢材料为 Q345B。X 向核心筒外墙厚度均为 500mm, Y 向核心筒外墙厚度均为 400mm, 核心筒内墙厚度自下而上由 250
11、mm 渐变为 200mm。框架柱截面尺寸自下而上由 1 0001 000 渐变为 800800。悬挑桁架上、下弦截面均为 H6004002434, 斜腹杆截面为H4004003434;下部斜撑截面为 H6006004040;上部钢柱截面为H4004002525, 钢梁截面为 H5002501012。悬挑桁架及其上部钢结构节点均为刚接, 考虑上部钢框架的空间空腹桁架作用4, 并在模拟施工分析中考虑该部分一次形成结构刚度后再施加荷载。2 结构水平位移和层间位移角特征带高位大悬挑的高层建筑不同于常规结构的受力特征, 其悬挑部位的竖向荷载一方面对结构整体形成一个力矩, 使整体结构产生弯曲变形;另一方面
12、, 在桁架和斜撑所在楼层范围产生水平剪力, 使该范围产生剪切变形。因此, 带高位大悬挑的高层建筑的水平位移需要考虑包括恒荷载、活荷载在内的竖向荷载的影响, 在恒荷载、活荷载和水平荷载 (风荷载或地震作用) 作用下的水平位移计算采用标准组合5。进行标准组合时, 与 X 向风荷载或 X 向地震作用相比, 活荷载不起控制作用, 故活荷载组合值系数取 0.76。对本工程各工况下核心筒位置水平位移数据进行提取, 1.0 恒荷载+1.0 活荷载 (1.0D+1.0L) 作用工况、X 向风荷载作用 (W x) 工况、X 向地震作用 (E x) 工况下的位移曲线见图 4。由图 4 可知, W x工况和 Ex工
13、况的水平位移曲线符合常规框架-核心筒结构的水平变形特征。1.0D+1.0L 工况下, 水平位移形状曲线表现为不同的两段, 18 层以下表现为顶部力矩作用下的弯曲变形, 水平位移增长缓慢, 水平位移绝对值远小于 Wx工况和 Ex工况下的水平位移;18 层及以上表现为剪切变形与弯曲变形的组合变形, 剪切变形占主要部分, 水平位移迅速增长, 顶点水平位移超过了Wx工况和 Ex工况下的顶点水平位移。1.0D+1.0L, Wx, 1.0D+1.0Wx+0.7L 三种工况下的层间位移角曲线见图 5, 1.0D+1.0L, Ex, 1.0D+1.0Ex+0.7L 三种工况下的层间位移角曲线见图 6, 竖向荷
14、载 (恒荷载、活荷载) 所产生的层间位移在 1.0D+1.0Wx+0.7L (风荷载组合) , 1.0D+1.0Ex+0.7L (地震作用组合) 工况中所占比例见图 7。图 4 各工况水平位移图 下载原图在与竖向荷载作用下的水平位移组合之后, 与常规结构相比, 风荷载或水平地震作用下的层间位移角曲线发生了很大变化。18 层以下组合后的层间位移角曲线符合一般框架-核心筒结构的水平变形特征;18 层及以上受竖向荷载产生的层间位移影响较大, 风荷载或水平地震作用组合工况下层间位移角曲线的形状与竖向荷载作用下层间位移角曲线的形状接近, 且层间位移角与单独的风荷载或地震作用下相比, 有了较大幅度的增加,
15、 竖向荷载所产生的层间位移在组合工况中占有较大的比例。由此可见, 悬挑部位因竖向荷载所产生的弯曲和剪切作用, 会对高位大悬挑的高层建筑的结构水平位移和层间位移角产生至关重要的影响, 甚至带来本质上的变化。与风荷载或地震作用组合时, 竖向荷载作用产生的层间位移所占比重甚至会超过 75%。竖向荷载作用下产生的较大的水平位移和层间位移角, 除了对结构自身产生不利影响外, 还可能会影响建筑的电梯、幕墙和隔墙等非结构构件的正常使用。采用结构“预起拱”或“反变形”的措施与常见的结构梁“预起拱”道理相同, 可以达到满足外观要求的目的7, 但因无法有效地减小结构整体力矩和局部楼层范围的剪力, 所以该做法并不能
16、解决结构水平位移的问题。控制结构水平位移有效的手段须从结构自身着手, 根据结构的受力特征和水平位移特征, 相应提高结构刚度。3 楼板刚度对层间位移角的影响如引言中所述, 高规规定了悬挑结构位移计算中, 悬挑部位的楼层宜考虑楼板平面内的变形, 主要原因是考虑悬挑结构上下层楼板承受较大的面内作用。在对高位大悬挑的高层建筑进行水平位移分析时, 由于悬挑部位楼板面内刚度的有限性, 竖向荷载作用对其水平位移的影响不能忽略。图 6 1.0D+1.0L, Ex, 1.0D+1.0Ex+0.7L 工况下的层间位移角 下载原图图 5 1.0D+1.0L, Wx, 1.0D+1.0Wx+0.7L 工况下的层间位移角 下载原图为了分析刚性楼板假定和考虑弹性楼板对层间位移角影响的差异以及层间位移角对楼板厚度的敏感性, 选择以下 4 个计算模型进行对比:1) 模型 a:楼板厚度均为 100mm、刚性楼板假定;2) 模型 b:楼板厚度均为 100
