[摘要] 简述了利用悬臂处理三座高差较大的超限高层建筑空中连廊的设计方法。以某具体悬臂廊道为例，对其在小震、中震、大震作用下进行分析，对其舒适度和节点进行分析计算。研究结果表明，该项目采用悬挑处理空中连廊是一种较好的设计方法，不仅能很好地满足建筑功能，而且能更好地保证主体结构的抗震性能，可供参考。类似的项目。
[关键词] 悬挑连廊；应力比；舒适;节点设计
1 项目概况
项目由3座塔楼（包括A塔、B塔、C塔）及地上商业裙房组成，地下为3层地下室。其中A塔地上47层，结构高度213.90m。通过22层空中走廊与B塔相连； B座地上18层，结构高度91.150m。通过B塔顶部的空中走廊与A塔和B塔相连。C塔与C塔相连； C座地上32层钢结构设计规范 附录c，结构高度143.15m。通过20层空中走廊与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-钢筋混凝土核心筒混合结构体系。该项目建筑效果图如图1所示，其中从左至右依次为A、B、C塔楼。
工程结构设计使用年限为50年，设计参考期为50年钢结构设计规范 附录c，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度（0.1g），抗震设防类别为A级、塔式和领奖台为B类、B类。 C座裙楼以上屋顶为丙类，设计地震组别为一级，建筑场地类别为Ⅲ类。
2 悬挑连廊结构体系的确定
该项目连接器的特点是：A、B、C塔高度差异较大，动力特性也差异较大；连接器平面宽度小，连接高度仅为一层。如果采用强连接，连接件本身无法协调两侧主体建筑的变形；如果使用弱连接，
图1 项目建筑效果图
连接体和支撑件所受的应力也很复杂。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塔竖向构件开始设置悬臂桁架。全层高，悬臂长度约24m，从B塔处起悬臂梁，长度约4.2m。 B、C塔之间的连接体也采用两侧悬臂结构方案，即从B塔的竖向构件上搭建悬臂桁架，桁架高度为全层高，悬挑长度约为18.8m。从CA塔开始，塔上设置悬臂梁，长度约3.5m。两侧狭缝宽度按中震水平弹性变形要求控制。
3、悬臂连廊结构设计
由于A塔结构高度最高，悬挑连廊跨度最大，因此A塔悬挑连廊对结构动力学的负面影响最大。以A塔最大跨度悬挑连廊结构设计为例，其他建筑悬挑连廊设计方法与A塔相同，A塔与B塔之间的连廊主要设置A塔悬挑桁架桁架悬挑长度为24m。悬臂桁架平面图和立面图分别如图2和图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，廊道上下平面面内支撑为H600×300×30×30，所用钢号为Q390C。另外，连廊实际设计过程中采取了以下措施： 1）所有钢结构节点均采用刚性连接； 2）为了加强悬臂桁架与核心筒的连接结构，在核心筒处设置端柱和型钢；3）为了减少楼面应力对悬臂桁架的不利影响，桁架面外拉杆支撑设置在悬臂桁架的上下弦楼平面内。采取上述措施后，悬臂桁架具有一定的结构冗余度和一定的抵抗连续倒塌的能力。
3.1 悬臂廊道分析模型
利用MIDAS Gen软件[5]和YJK软件对本项目悬挑连廊的设计进行了对比分析。悬挑连廊设计时，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）[3]第5.3.3条（简称抗震规范），应考虑竖向地震效应的计算、和垂直地震为主的地震组合。具体要求为：不属于抗力规范第5.3.2条规定范围的长悬臂构件和大跨度结构的竖向地震作用标准值。对于8度和9度，可分别取结构和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JGJ规程）第10.6.4条第4款也有这样的要求：设计抗震7度（ 0.15g)和8、9度，悬臂结构应考虑竖向地震的影响；悬臂结构在进行6、7级抗震设计时，应考虑竖向地震的影响。
廊道空间布置如图4所示。为了研究本工程大悬挑的竖向地震效应，采用竖向反应谱和时程分析方法对廊道空间的竖向地震效应进行了补充分析。大悬垂。选取3个地震波进行时程分析计算，即天然波Chi-Chi、Taiwan_NO_1206和Hector Mine_NO_1786以及人工波1。上述时程分析的地震波选择满足有效峰值、持续时间、频谱特征的要求。以及其他方面。在进行小地震弹性时程分析时，垂直地震波输入加速度幅值为水平地震波输入加速度幅值的0.65倍，即取23cm/s2。
3.2 悬挑廊道小地震分析
3.2.1 桁架应力比比较
YJK与MIDAS Gen软件计算的桁架应力比对比如图5所示，在小地震作用下，两种软件计算的应力比基本一致，应力比满足5.1.1条的要求符合《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）[2]（简称钢规范）的要求，满足小震弹性性能指标要求。
3.2.2 桁架正常使用情况下的变形对比。选择标准荷载组合下桁架端节点的竖向位移进行比较。结果如表1所示。
为改善悬臂连廊的外观和使用条件，根据《钢结构规范》第3.5.3条规定，施工时可将悬臂桁架提前起拱。起拱量为恒载标准值加上活载标准值的1/2。所得挠度值约为计算跨度的1/450~1/500。
3.3 悬臂廊道中震分析
利用YJK软件计算得到的悬臂桁架在中震作用下的应力比如图6所示。提取悬臂桁架及相关构件的设计结果表明，在中震作用下，悬臂桁架能够满足中震弹性性能目标要求。
悬臂桁架与外框柱和内芯墙相连。在中震作用下，YJK软件中震计算模型结果表明，相关部位的墙柱配筋能够满足中震弹性性能指标要求。
3.4 悬挑廊道大地震分析
采用YJK软件基于等效弹性计算悬臂廊道大震分析。悬臂桁架在大地震作用下的应力比如图7所示。提取悬臂桁架及相关构件的设计结果可知，在大地震等效弹性模型中，悬臂桁架仍处于弹性阶段。
悬臂桁架与外框柱和内芯墙相连。 YJK软件中震计算模型结果表明，与悬臂桁架连接的墙柱能够满足大震不屈服的性能指标要求。
3.5 悬挑走廊舒适度分析
根据高层法规第3.7.7条规定：地板结构应具有适当的舒适度。楼盖结构的竖向振动频率不应小于3Hz，竖向振动加速度的峰值不应超过表2的规定。楼盖结构的竖向振动加速度可按高标准附录A计算。 -技术法规。
根据上述规定，本工程悬臂廊道竖向频率控制在3Hz，竖向峰值加速度限值控制在0.15m/s2。
3.5.1 频率计算
以悬挑走廊所在楼层为计算模型进行模态分析。前四种模态如表3所示。悬挑廊道第一竖向模态频率为3.22Hz，满足大于3Hz的规范要求。
3.5.2 垂直加速度计算
采用MIDAS Gen进行时程分析，模拟连续行走对桥梁结构的振动影响。分析思路是找到重力荷载作用下挠度最大的节点，然后对该节点施加连续行走时程荷载，进行时程分析，最后考察该点的垂直峰值加速度。使用连续步行时程负荷（IABSE）并重复 30 次。悬臂廊道在重力荷载作用下的最大挠度点如图8所示，作为行走时荷载施加点。
对计算结果进行统计分析。 IABSE时程荷载下，连廊最大挠度点竖向加速度时程曲线如图9所示。其中，塔间连廊竖向峰值加速度为0.061m/s2，满足最大限值规范中要求0.15 m/s2。
综合以上分析，本工程悬臂廊道一阶竖向振动频率不小于3Hz。连续行走载荷时程分析结果表明，垂直峰值加速度不大于0.15m/s2，满载
满足舒适度要求。
3.6 抗连续倒塌能力分析
根据《高层建筑规范》第3.12.1条规定，安全等级为Ⅰ级的高层建筑应当满足抗连续倒塌概念设计要求。当有特殊要求时，可采用构件拆卸的方法进行渐进式抗倒塌设计。本项目采用构件拆解法，通过将悬臂桁架的腹杆逐一拆卸，分析悬臂桁架在偶然荷载作用下抵抗连续倒塌的能力。以桁架支撑位置关键腹杆拆除为例，给出了具体分析结果。
3.6.1 关键部件选型
选择图10中带星号圈出的元件作为元件去除方法的关键元件。
3.6.2 拆件法分析结果
去掉图10中桁架的关键腹杆①，去掉①杆后，悬臂桁架的应力比如图11所示。从图11可以看出，去掉关键构件①后，内部由于缺少支撑，力重新分布，相邻构件的应力比增大，但所有杆件的最大应力比小于1，即悬臂桁架仍基本工作灵活地。
上述抗连续倒塌分析结果表明，本工程悬臂桁架不仅具有一定的结构冗余度，而且具有一定的抗连续倒塌能力。
3.7 悬臂桁架的拉应力传递
由于悬臂桁架在主楼范围内没有斜腹杆，因此主楼上下层的主梁会产生较大的拉、压应力。为保守起见，计算中不考虑楼板传递悬臂桁架拉应力的情况。桁架上、下弦杆的拉、压应力仅由悬臂桁架连接的楼板钢梁来承受荷载。为了有效地将拉力传递到核心筒墙体，将拉力较大的楼面钢梁与悬臂桁架连接，并在核心筒连接处设置异形钢柱。楼板钢梁与型钢柱刚性连接，核心筒内设置型钢暗梁。
3.8 走廊接缝宽度的确定
（1）根据《抗阻条例》第6.1.4条，按100m高度计算，
廊道接缝宽度Wc=[100+(100-15)×20/4]×0.7=367.5mm。
(2) 提取A塔和B塔中震弹性分析下廊道端部最大水平位移，见表4。
图12 走廊缝宽处理节点
3.9 节点设计
本工程桁架节点采用全焊接节点，节点区域受力复杂。为保证节点承载能力，有足够的冗余度，并根据强节点、弱构件的原则，精心设计结构，保证节点能在最不利的工况下运行。在（大地震）下不会损坏，满足承载力极限状态的设计要求。
以桁架支撑位置节点为例，利用ABAQUS软件建立其三维实体有限元模型，考察控制条件下钢构件节点的应力应变状态；钢构件是否屈服，如果屈服，屈服区的大小；力的传递效果是什么？同时，根据分析结果，针对节点区域提出了相应的结构加固措施。
3.9.1 分析节点选择
对于悬臂桁架，考虑到端部支撑节点受力较为复杂，现以上弦支撑节点1（图3）为例进行有限元分析，并给出分析过程和结果。节点1的三维模型如图13所示。
3.9.2 元件边界条件的选择
位移边界条件：柱底部采用固定端部约束，柱顶部采用固定端部约束
使用简单支撑的末端约束。力边界条件：从 YJK 模型中提取控制载荷，并使用静态载荷应用于节点的有限元模型。当对钢梁和钢斜撑施加荷载时，控制点设置在截面的中心。控制点与截面耦合，并将载荷施加到控制点。
3.9.3 有限元分析结果
根据构件的内力，选择最不利的工况，分析节点1在大地震作用下的工作性能。节点1的应力应变云图如图14和图15所示。
从上述有限元分析结果可以看出： 1）除局部应力集中区域外，钢构件的应力水平大部分在150~250MPa左右； 2）桁架上弦SXG和斜腹杆XC1的应力水平在150~250MPa左右。 ，处于弹性状态； 3）该工况下框架梁GKL4内力较大，上下翼缘角部因应力集中而进入塑性，但塑性范围较小。
塑性小，塑性低，塑性应变为2.89×10^4，残余应力水平在300MPa以下； 4）节点区钢管柱应力水平大多在200MPa左右，内隔板应力水平为200~250MPa，有效传递应力。
对节点进行有限元分析表明：1）斜撑的节点、柱及内部加劲板设置合理，荷载作用下不发生屈曲； 2）节点传力合理，应力传递均匀，传力路径与节点设计思想一致； 3）在大地震作用下，节点满足承载力极限状态要求，满足强节点设计要求。
4 结论
根据本工程结构设计的具体特点，对结构进行了一系列完整、可靠的结构分析。结果表明，廊道悬臂桁架及相关构件能够满足中震弹性和大震不屈服的性能目标。可见，采用悬挑法处理空中廊道是一种较好的设计方法，不仅能达到良好的满足建筑功能的目的，而且能更好地保证主体结构的抗震性能。
参考
[1] 建筑结构荷载规范：GB 50009—2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012。
[2] 钢结构设计规范：GB 50017—2003[S]。北京：中国计划出版社，2003。
[3] 建筑抗震设计规范：GB 50011—2010[S]． 2016年版。北京：中国建筑工业出版社，2016。
[4] 高层建筑混凝土结构技术规程：JGJ 3—2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2011。
[5] MIDAS Gen 用户手册（中文）[M]．北京：北京麦达斯科技有限公司，2010。
