某高层钢桁架与钢拉索组合悬挂体系结构设计

Structural Design of a High-Rise Suspension System with Combination of Steel Truss and Steel Cable

摘要

为满足建筑使用要求，某办公塔楼采用了钢桁架与钢拉索组合悬挂体系。对典型的高层悬挂体系整体结构进行了小震弹性分析、中大震等效弹性分析、大震弹塑性分析，并进行了钢拉索承载力分析、楼板舒适度分析、关键节点受力分析等专项分析，分析结果表明，核心筒悬挂结构悬挑转换体系具有较高的安全储备，经合理设计可以作为高层建筑的一种结构形式应用于实际工程。此外，针对悬挑转换结构的特点，提出了可行的施工方案。

Abstract

To meet the architectural requirements， an office tower has adopted an integrated suspended structural system with combination of steel trusses and steel cables. This article conducted small earthquake elastic analysis， medium to large earthquake equivalent elastic analysis， and large earthquake elastoplastic analysis on the overall structure of a typical high-rise suspension system. Specialized analyses such as steel cable bearing capacity analysis， floor comfort analysis， and stress analysis of critical joints stress are also conducted. The analysis results show that the core tube suspension structure system has a high safety reserve and can be used as a structural form of high-rise buildings in practical engineering after reasonable design. In addition， feasible construction plans have been proposed based on the characteristics of cantilever conversion structures.

Graphical abstract

关键词

高层建筑 / 悬挂体系 / 核心筒结构 / 帽桁架 / 高强钢拉索

Key words

high-rise buildings / suspended system / core tube structure / steel truss / high strength steel cable

0 引 言

悬挂结构体系由于能够有效满足特定复杂造型和功能需求，在高层建筑中的应用日益广泛。建筑结构中常见的悬挂结构体系主要是以筒体作为承载构件，在周边悬挂各种楼面体系。20世纪50年代后期，悬挂结构逐渐开始出现在实际建筑中，并且以筒体悬挂体系为主^［1］。典型的悬挂建筑结构见表1。

在建筑方面，与传统的框架-核心筒结构体系相比，悬挂的楼面系统使得筒体悬挂结构具有更大的建筑使用面积，并且楼面内部无柱、墙、支撑等结构构件干扰，能够形成较大的空间，平面布置灵活，可满足特殊的建筑使用需求。

在结构方面，核心筒悬挂结构体系利用位于结构平面中心部位的核心筒作为竖向支承，在结构的顶部设置桁架，在桁架的下方连接吊柱。悬挂结构上可简化为悬臂梁，吊柱自下而上传递的楼面荷载最终传递至顶部桁架，再通过顶部桁架传递至核心筒。核心筒需承受所有水平荷载和竖向荷载，并提供足够的抗侧刚度，如核心筒底部形成塑性铰，整体结构可能发生倾覆，无第二道防线，安全储备较小。同时由于悬挂结构质量及刚度分布头重脚轻，底部的弯矩、剪力、轴力较大。为此，结构上可采用如下应对措施：①采用高强混凝土或型钢混凝土、钢管混凝土等组合材料，提升核心筒的承载能力和变形能力。优化核心筒的墙肢布置，增加联肢墙或加厚剪力墙，确保强震下墙体不会过早发生剪切破坏。②控制核心筒与悬挂部分的质量比，避免因质量分布不均引发扭转效应。采用对称布局，减少偏心带来的附加地震作用。③底部楼层设置裙楼，降低重心的高度，并共同抗侧。④针对大震、巨震工况，明确核心筒的损伤控制目标（如允许部分连梁失效，但墙体保持承载力）。采用非线性时程分析，验证罕遇地震下核心筒的残余承载力及悬挂结构的稳定性。

由于悬挂结构体系与传统落地结构的受力有一定区别，国内外学者对悬挂高层建筑体系开展了一系列研究。为研究高层悬挂结构体系罕遇地震的受力性能及破坏模式，高文俊等^［10］针对核心筒悬挂结构体系进行了振动台试验，试验结果表明，核心筒悬挂结构体系可满足现行的设计要求，为城市密集区域空间的综合利用提供了设计依据。许向军等^［11］对某四面悬挂结构体系的施工可行性进行了详细的分析总结，对比了“顺作法”及“逆作法”的施工难点，提出了一种符合实际受力状态的施工方法。王昕等^［12］针对某22层高层悬挂建筑结构的设计关键问题进行了分析，包括竖向和水平传力路径、施工顺序对拉索受力的影响、悬挂节点设计以及提高悬挂结构安全冗余度等。

由于目前我国在悬挂结构设计及施工领域缺乏较为成熟的经验，本文针对某超限高层建筑中悬挂结构的结构设计，包括结构体系组成、构件设计、整体受力性能分析、施工过程模拟等进行全面分析，为高层悬挂结构体系提供可行的设计及施工方案。

1 工程概况

某高层悬挂建筑位于深圳市，项目包括两栋塔楼，南塔楼地上17层，建筑高度为79.5 m，北塔楼地上13层，建筑高度为61.5 m，项目主要建筑功能为办公、创新产业及服务配套，项目建筑效果如图1所示。两栋塔楼在裙房的五层通过连廊相连，两塔之间通过防震缝分为两个单体。为营造视觉上塔楼整体轻盈漂浮于坡顶之上的效果，南塔楼低区（5—6层）及中区（9层）存在2处外框柱不连续，北塔楼在低区（5层）外框柱不连续，塔楼立面如图2所示。两栋塔楼建筑平面尺寸为47 m×47 m，核心筒平面尺寸均为22.4 m×22.4 m，核心筒围合面积占比约为25%，高塔楼核心筒高宽比为3.4，低塔楼核心筒高宽比为2.7，典型建筑平面如图3所示。

本项目利用建筑的竖向核心筒作为结构的抗侧构件和竖向承重构件，在核心筒顶部设置帽桁架及高强钢拉索，通过在帽桁架上设置高强钢拉索悬吊周边楼面体系，充分利用高强钢材的受拉特性，有效减小外框竖向构件尺寸，达到轻盈漂浮的建筑效果。

由于两栋塔楼高区需悬挂的楼层相同，而南塔楼结构相对较为复杂，以下分析均以南塔楼为典型代表进行分析。南塔楼结构形式为钢筋混凝土核心筒悬挂结构体系，各分区结构组成如下：①高区采用钢筋混凝土核心筒+帽桁架+钢拉索+外框钢结构；②中区采用钢筋混凝土核心筒+悬挑桁架+外框钢结构；③低区采用钢筋混凝土核心筒+混凝土框架。塔楼结构体系组成如图4所示。

南塔楼剪力墙外墙厚度为500 mm，内墙厚度为350~450 mm，连梁高度为600~800 mm。外框吊柱尺寸为□400 mm×200 mm×16 mm（10—14层），吊柱可兼作幕墙龙骨，达到更为通透的建筑效果。楼面体系由钢框架梁以及组合楼板构成。外框梁主要尺寸为H600 mm×300 mm×10 mm×20 mm，楼面梁主要尺寸为H550 mm×200 mm×10 mm×20 mm。楼板采用钢筋桁架楼承板，标准层板厚120 mm，帽桁架层及中区悬挑桁架层楼板厚150 mm。

1.1　竖向传力体系

塔楼竖向承重体系由楼面系统、核心筒、悬挑桁架、钢拉索及吊柱共同组成。竖向荷载的传递分为高、中、低三个区域，高区及中区传力路径如图5所示。高区竖向荷载一部分由楼面梁传递至核心筒，并由核心筒逐层向下传递，另一部分通过吊柱向上传递至钢拉索，通过钢拉索传递至顶部帽桁架，帽桁架传递至核心筒并向下传递；经计算，悬挂部分荷载占高区总荷载比例为33%（P_A/P₉），占塔楼总荷载比例为18%（P_A/P₁）。中区竖向荷载一部分通过楼面梁传递至核心筒，并由核心筒逐层向下传递，另一部分通过悬挑桁架传递至核心筒并向下传递，中区通过悬挑桁架向下传递的荷载占塔楼总荷载的9.6%（P_B/P₁）。低区裙房竖向荷载直接向下传递，与传统落地结构相同。

1.2　高区帽桁架及钢拉索

塔楼结构高区采用钢筋混凝土核心筒+帽桁架+钢拉索+外框钢结构体系。依据剪力墙外墙及内墙的位置布置帽桁架，钢拉索位置与吊柱相对应，吊柱间距为3 m，为了达到更好的建筑空间使用效果，钢拉索间距采用6 m，悬挑桁架的悬挑距离为6 m。帽桁架、钢拉索及吊柱平面布置如图6所示，帽桁架的组成如图7所示。为了尽可能使结构布置简洁、受力合理、施工方便，设计时对结构布置不断进行优化，帽桁架构件尺寸见表2。

根据建筑效果，悬挑桁架上弦无楼板，下弦楼板厚度150 mm。为加强悬挑桁架的整体性和稳定性，在桁架上下弦布置水平支撑，截面为H400×200 mm×10 mm×20 mm，水平撑布置如图8所示，与钢拉索相连楼层中，与索相连杆件为压杆，需增设水平撑，提高稳定性和可靠性，位置如图9所示。

1.3　中区悬挑桁架

悬挑桁架布置于6层，裙房顶层有4.5 m高使用空间，建筑影响较小。悬挑桁架根部高4.5 m，平面布置位置与剪力墙外墙及内墙位置相对应，每侧布置4道悬挑桁架。悬挑桁架需埋置于剪力墙，悬挑桁架宽200 mm，剪力墙厚500 mm。

2 主要设计参数

2.1　荷载作用

塔楼设计使用年限为50年，安全等级为二级，抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度峰值为0.10g，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类^［13］。50年一遇基本风压为0.75 kN/m²，地面粗糙度类别为B类，体型系数μ_s为1.4，承载力设计时风荷载效应放大系数取1.1。

2.2　抗震等级

根据《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）^［14］（简称《高规》），剪力墙结构抗震等级为三级，底部加强区、桁架层及相邻层提高至二级，塔楼抗震等级见表3。

2.3　抗震性能设计目标

对于无二道设防的核心筒悬挂结构，需加强核心筒抗震性能。通过性能化设计确保结构在极端地震下的可修复性，弥补传统多道防线的不足。塔楼整体按照C级性能目标进行设计，在此基础上，对核心筒、悬挑转换体系和关键节点的性能目标进行提高，具体见表4。

2.4　结构整体分析

小震弹性阶段主要采用YJK4.3.0和ETABS两种三维空间结构分析软件进行计算比较，计算结果见表5。计算位移、周期等指标时：采用振型分解反应谱法，考虑偶然偏心作用，进行多遇地震作用下的计算，且选用较多振型以充分考虑高阶振型的影响。

由于本工程的特殊性，计算分析中有如下要点：①按剪力墙结构控制整体指标；②弹性分析时考虑P-Δ效应；③由于上部悬挑楼层较多，对竖向地震作用敏感，竖向地震作用取反应谱分析和10%重力荷载代表值的包络值；④中震、大震作用下，均需计算以竖向地震作用效应为主的组合；⑤指定核心筒自上而下承担全部地震剪力。

3 悬挂体系专项分析

地震作用下，一旦与钢桁架相连的剪力墙开裂损伤引起刚度退化，水平力将会卸载到钢桁架上。因此，按照剪力墙刚度全部退化的不利情况，验算内置钢桁架的承载力。为了保证帽桁架产生的水平力有效传递至核心筒，保证帽桁架与核心筒的可靠连接，帽桁架钢骨在剪力墙内下延2层。

3.1　悬挂体系的承载力和变形分析

帽桁架的性能目标为中震弹性，大震不屈服。以高塔楼为例，对中震弹性及大震不屈服工况下帽桁架的承载力进行验算，桁架构件承载力校核时，不考虑楼板刚度贡献，考虑了双向及竖向地震作用。

选取典型的桁架进行承载力验算，位置如图11所示，中震弹性组合下各桁架各工况下的受力情况如图12、图13所示。帽桁架在中震弹性组合下（1.2D+0.6L+1.3Ehm+0.5Evm）最大应力比为0.71，大震不屈服组合下（D+0.5L+Her+0.4Evr）最大应力比为0.88，帽桁架构件承载力满足性能目标要求。

对帽桁架的变形进行分析，帽桁架在标准组合1.0D+1.0L作用下的最大挠跨比约为1/718（悬挑跨度为6 m，最大挠度约16.69 mm），小于限值1/400；活载1L作用下的最大挠跨比约为1/2 307（最大挠度约5.2 mm），小于限值1/500。挠跨比满足《高规》^［14］限值要求。

3.2　钢拉索承载力分析

钢拉索作为本项目的关键构件，性能目标为大震弹性。对大震弹性工况下钢拉索承载力进行验算，钢拉索立面布置如图14所示。钢拉索公称直径为90 mm，破断拉力为8 090 kN。大震不屈服荷载组合下，每根钢拉索最大拉力为2 403 kN，钢拉索安全系数在3以上。验算结果表明，钢拉索可满足大震弹性性能目标。

3.3　关键节点有限元分析

选取钢拉索与钢框架梁及钢框架柱连接处受力较大的关键节点进行验算，验算节点位置如图15所示。验算节点1处框架柱截面为H400×200×16，钢框架梁尺寸为H800×400×20×45，钢框架梁柱构件材质均为Q390GJ。钢拉索为两根并排布置。验算节点2为帽桁架顶部节点，包括4根帽桁架上弦杆及5根帽桁架腹杆，其中部分弦杆及腹杆埋置于剪力墙。分析中偏于保守地不考虑剪力墙部分的贡献。

节点1大震不屈服组合下钢材等效应力最大值为362 MPa，小于材料屈服强度标准值380 MPa；节点2大震不屈服组合下钢材等效应力最大值为380 MPa，小于材料屈服强度标准值410 MPa，节点能够满足设计性能目标，如图16所示。

3.4　关键楼板应力分析

小震作用下，帽桁架层拉索位置楼板拉应力较大，最大拉应力约为1.2 MPa，小于C35混凝土抗拉强度标准值f_tk=2.20 MPa（图17），楼板满足小震弹性的性能目标要求；中震不屈服组合（1.0D+0.5L±1.0E）工况下，帽桁架层钢拉索位置楼板拉应力较大，最大拉应力约为1.3 MPa，小于C35混凝土抗拉强度标准值f_tk=2.20 MPa，可满足中震不屈服的性能目标。

3.5　楼板竖向振动舒适度分析

悬挂结构由于吊杆的刚度较弱，竖向振动模式与传统落地结构有一定区别，悬挂结构楼面振动频率与帽桁架的刚度有关。为此，根据《建筑楼盖振动舒适度技术标准》（JGJ T441—2019）^［15］（简称《楼盖振动舒适度技术标准》）对楼板舒适度进行验算。通过模态分析得到楼板的自振频率和振型情况。楼面振动模态与传统落地结构相同，典型层1阶竖向振动频率为3.4 Hz，桁架上弦楼面（6F）1阶竖向振动频率为4.07 Hz，桁架下弦层楼面（15F）1阶竖向振动频率为8.9 Hz，桁架上弦楼面（16F）1阶竖向振动频率为8.4 Hz，小于规范限值，楼面舒适度满足楼盖振动舒适度技术标准要求。

在典型悬挂层楼板布置人行轨迹和人行荷载，按2.1 Hz（正常行走）、2.7 Hz（快速行走）、3.0 Hz（跑步）三种步行频率分别进行时程分析。楼盖最大加速度为0.045 m/s²，小于按照《楼盖振动舒适度技术标准》中办公类建筑考虑的控制要求0.05 m/s²，楼板的加速度控制较好地满足相关要求，舒适度满足要求。

4 罕遇地震下结构抗震性能

对结构进行罕遇地震下的弹塑性时程分析，通过计算所得的基底剪力、层间位移角等综合指标评价结构的抗震性能，确定结构是否满足“大震不倒”的设防要求。按所在地区场地类别（Ⅱ类）和特征周期（T_g=0.35 s），选用了5组天然波和2组人工波，罕遇地震分析时，特征周期增加至0.40 s。针对每组地震波考虑三个分量，将水平主向、水平次向、竖向的最大加速度按1.0∶0.85∶0.65的比例调幅。采用PERFORM-3D对结构进行动力弹塑性时程分析，根据分析结果针对结构薄弱部位提出相应的加强措施。

结构最大剪重比分别为X向9.0%和Y向10.1%。结构最大层间位移角为X向1/435和Y向1/398，均小于《高规》的限值1/120，满足“大震不倒”的性能要求。罕遇地震下各构件的抗震性能评价见表6，帽桁架应力水平如图18所示。

5 施工模拟分析

在悬挂结构中，竖向荷载往往是控制工况，而竖向荷载又是一直存在的，因此，对竖向荷载的分析是悬挂结构设计的重点。合理的施工顺序是悬挂结构受力的关键。

根据本结构受力特点，确定塔楼的上部结构施工次序如下（图19）：①土建结构施工至5层楼板时，插入核心筒钢骨柱施工，然后土建继续往上施工，布设悬挑桁架的临时支撑胎架，施工6层桁架的悬挑部分；②施工7—8层外框上托结构，布设吊挂结构层临时支撑；③自下而上逐层施工9—13层外框吊挂结构，核心筒施工至16层，帽桁架插入核心筒部分同步施工，布设帽桁架的临时圆管支撑，安装帽桁架悬挑部分及环桁架；④帽桁架安装完成后，张拉钢拉索，帽桁架通过钢拉索与吊挂层形成整体后进行胎架卸载，安装剩余结构，完成主体钢结构安装。

对施工次序进行模拟分析可知，在施工加载过程中，悬挑转换体系的悬挑端累计产生的竖向变形最大值约为30 mm（恒载）和10 mm（活载）。对帽桁架的端部进行预起拱，确保结构封顶及主要竖向荷载施加后，悬臂端的竖向变形几乎为零。

钢拉索的张拉施工方案控制需对变形计索力双向控制，施工和使用阶段需对帽桁架及钢拉索进行变形和受力的监测。

6 结 论

（1） 采用混凝土核心筒+帽桁架+钢拉索的组合悬挂体系，既能满足建筑特殊造型的需要，又可以在各水准地震作用下表现出良好的性能，是一种良好的结构体系。

（2） 帽桁架及钢拉索构件可以满足大震不屈服的要求，对帽桁架与核心筒的连接节点进行了精细化的有限元分析。分析结果表明，在大震组合下，节点可以保持弹性。

（3） 钢筋混凝土核心筒具有承载能力强、刚度大的特点，适合作为上部楼层整体悬挑的超限高层建筑的竖向抗侧力构件，在大震作用下具有优良的抗震性能。

（4） 采用自下而上的正向施工顺序可实现悬挂结构的快速、精准建造。

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基金资助

国家重点研发计划(2022YFF0608903)

上海市“科技创新行动计划”社会发展科技攻关项目(22dz1201400)

上海市东方英才计划青年项目

上海市东方英才计划青年项目(QNCX2024031)