国内外大悬挑结构研究概述

国内外大悬挑结构研究概述

汪怡婷1何艳2汪乃权3

1、杭州博牛建筑设计咨询有限公司浙江杭州3100002、杭州市建筑设计研究院有限公司浙江杭州3100003、杭州余杭区保障房建设有限公司浙江杭州310000

摘要：本文就国内外大悬挑结构研究概述进行分析

关键词：大悬挑结构；定义；进展

一、大悬挑结构定义

大悬挑结构是悬挑跨度不小于4m的悬挑结构，相对于普通悬挑结构来说，由于悬挑跨度更大，结构体系受力更加复杂，除了进行局部关键悬挑构件的强度和变形验算、抗倾覆验算以外，还需要进行整体结构更加完整的受力计算，如整体大悬挑结构的水平和竖向地震作用分析和设计计算，更细致严苛的抗风设计计算等等。

二、国内大悬挑结构的研究进展

近年来，大跨度，大悬挑结构由于自重轻，经济性好，有利于建筑在空间三维形状上发挥特色，越来越多地应用于民用建筑，包括公共建筑和居住建筑。

随着复杂结构形式的出现和发展，工程设计人员越来越重视悬挑结构的竖向地震作用分析以及大悬挑结构基于性能的抗震设计：冯丽娟[1]、肖从真等针对北京当代MOMA工程的几栋塔楼普遍存在高位悬挑结构，超出规范规定的悬挑尺寸，对竖向地震作用比较敏感，在设计时针对悬挑结构及其对整体结构的影响，采用比较精确的反应谱法和时程分析法进行了竖向地震的计算。对竖向地震作用下各层构件的轴重比、悬挑部分构件轴力的竖向地震效应、悬挑部位的竖向加速度分布等内容进行研究，从而对设计使用的竖向地震作用作了定量的分析，给出悬挑部位的竖向地震效应的设计用值，对悬挑部分进行设计时采用中震弹性的性能化设计目标。陈志强[2]熊仲明等对带有大悬挑构件的高层结构地震反应进行了分析研究，以带有悬臂框架结构的不规则钢筋混凝土高层为工程背景，利用ANSYS有限元分析程序，首先对悬挑高层建筑结构的动力特性进行分析，通过对计算结果的处理，比较直观地反映了该结构的变形和受力特点，通过对单向地震和双向地震作用下的结构平扭藕联地震反应进行分析对比，得到了双向地震作用对带有悬挑建筑结构抗震更为不利的结论。同时，对其内力和位移的分析，获得悬挑构件随着长度和高度变化对整个结构的影响程度的变化规律，最后给出悬挑长度的限制公式，其结果为今后该类结构的抗震设计提供一定的参考。朱鸣[3]、魏勇等对邯郸文化艺术中心进行了基于性能的抗震设计，其博物馆和图书馆利用多层结构高度形成巨型悬挑钢桁架，将部分楼层整体悬挑，巨型悬挑钢桁架和转换结构造成抗侧力构件竖向不连续，整体结构属于复杂超限工程，针对结构特点，采用基于性能的设计方法，对重点部位指定性能目标，采用多种有限元软件分析了结构在不同地震水准作用下的弹性或弹塑性响应。同济大学的孙方涛[4]、吴晓涵进行了竖向地震作用下世博中国馆大跨度悬挑结构的反应分析，输入水平向振动的地震波和同时输入水平向、竖向振动的地震波两种形式的弹塑性时程分析，通过这两种工况下的结构动力响应的对比，分析研究了竖向地震动对该大跨度悬挑结构的影响。

在大跨度悬挑结构的结构处理方面：对于很多超限大悬挑结构，采用钢框架-支撑来确保大跨度选挑结构的结构安全。赖洪涛[5]、唐嘉敏对天津博物馆结构进行设计与研究，因内部大空间的需要，楼层平面凹凸不规则、楼板不连续，由于里面造型的需要，屋盖四周设有大悬挑桁架结构，最大出挑15m，并下挂层4，5楼板，不仅造成结构竖向质量分布不均匀，还使楼盖的转动惯量增大，针对以上超限情况，采用抗震性能优良的钢框架-支撑结构体系，利用楼、电梯位置尽可能设置对称的钢支撑框架，提高结构抵抗扭转效应的能力。采用多种有限元软件进行分析，并根据性能化设计要求提出主要抗震措施，以确保大跨度悬挑结构的安全。为了有效地控制大悬挑结构的变形，预应力越来越频繁地用于大悬挑结构，如预应力混凝土梁，体内预应力的应用等等，孙亚萍[6]等研究了体内预应力在大悬挑结构中的应用，对某对某钢筋混凝土多层大悬挑结构进行受力分析和优化设计，结合建筑造型，采用斜拉钢管内设预应力筋吊拉多层钢筋混凝土悬挑梁，一次施加预应力，形成空间整体悬挑桁架，解决了钢筋混凝土大悬挑梁的承载力和变形问题。同时对钢管节点设计、张拉控制应力、预应力损失的控制、张拉过程及监测过程提出了设计建议。

三、国外大悬挑结构的研究进展

在过去，悬挑结构被看成是设计者的失误，因为它违背了建筑结构稳定性能的要求。但是随着结构性能研究的深入和结构形式的多元化发展，悬挑结构越来越广泛得被国外设计师灵活的运用，尤其是在设计标志性建筑的情况下。

早期的大悬挑结构主要应用于大型展览场馆或者体育场馆的屋面。1971年末，由旧金山林同炎国际工程顾问公司参与设计的波多黎各的帕恩思室内体育场的双曲抛物面混凝土薄壳屋顶是当时世界上悬臂最长的双曲抛物面壳。

该薄壳屋顶悬挑42m（沿边梁计算），在薄壳及其边梁中都采用了后张预应力，以控制其挠度和应力。此外，壳体的两组对边支柱也都在紧靠着地面地下施加了后张预应力以抵抗水平推力。设计单位采用有限单元法来分析结构的性能和计算薄壳及边梁的弯矩、应力以及挠度。

位于德国汉诺威市的Nord/LB银行大楼充分运用了大悬挑结构的特点，整个建筑充满魔幻色彩，多个方向都有大悬挑构件。设计者在大胆设计的同时考虑到建筑与周围整个环境的和谐关系，尽可能的减少二氧化碳等有害气体的排放，并将对自然光线的使用最大化。

VoestAlpine办公楼是一个颇具戏剧性的悬挑的船头形象，钢铁公司的形象通过折角、有力的结构得以展现，同时，一个美化的、大型屋顶阳台以及金色的折叠金属纱窗又适当地弱化了结构的生硬性。由于大悬挑的运用，使得宽敞的流通空间以及供员工讨论和协作的生活区也被很好的结合起来。

大楼的主入口，位于大悬挑“船头”的正下方，悬挑构件底部平缓的坡度将视线引入通透的办公大厅。大胆的悬挑设计充分运用了钢结构的结构性能，将整个结构舒展开来，不仅外形上独具匠心，同时，提升了整体的使用功能。，站在“船头”中可以全方位的看到周围的景致。

Nord/LB银行大楼VoestAlpine办公楼

Fallingwater葡萄牙arriva总部

美国亚利桑那州科罗拉多大峡谷国家公园耗资3000万美元建造的悬空透明玻璃观景廊桥建成投放使用，标志着大悬挑结构得到更为广泛的应用。

这座令人叹为观止的悬空廊桥建造在大峡谷南缘老鹰崖距谷底1200米的高空，为U字形，最远处距岩壁21米。廊桥宽约3米，底板为透明玻璃材质，游客可以行走其上，俯瞰大峡谷和科罗拉多河景观。

“MarinaBaySands”位处新加坡南部滨海湾，占地20.6公顷，是集高端酒店、大型娱乐场所、高级会展中心、豪华商场、购物中心和艺术科学博物馆于一体的超大型都市综合体。

由三座大跨度空间体和三幢高200m、50层的超高层塔楼组成的建筑群组，

建筑形象壮观，气势磅礴。尤其是三座超高层塔楼的空中连接体——SandsSkyPark。空中花园占地12400㎡。空中花园的一段建有全球最大的公共悬挑，悬臂长度达到66.5m【2】。

科罗拉多大峡谷观景廊桥MarinaBaySands

四、总结

近三十年来，各类大悬挑结构工程实践数量增多，发展飞速，形式丰富多彩，相对应的理论研究也日趋增多。大跨度建筑结构以及作为其核心的空间结构技术的发展状况是一个国家建筑科学技术水平的重要标志之一。大跨度结构形式的不断创新也伴随着民用建筑中大量涌现的大悬挑结构在独特性、创新性以及多样化方面的发展。随着社会发展的需要，大悬挑结构作为结构中建筑形式突出又极富难度的重要组成部分，在大型展厅、影剧院、商场、体育馆等建筑领域得到越来越多的工程应用。每一种大悬挑项目都值得深入研究，为完善大悬挑结构的各项理论内容提供经验，尤其是大悬挑结构在结构体系的合理性以及经济性方面研究甚少，大悬挑结构是结构工程的重要组成部分，因此对大悬挑结构进行技术、经济探究很有必要，寻求针对大悬挑结构的最佳方案对工程设计具有指导意义。

参考文献：

[1]赖洪涛，唐嘉敏，易伟文，孙传伟.天津博物馆结构设计与研究[J].建筑结构，2012，42（04）：60-64.

[2]孙亚萍，李瀚，徐从荣，李春蕾.体内预应力在大悬挑结构中的应用[J].建筑结构，2012，42（03）：119-122.

[3]朱鸣，魏勇，柯江华，王春磊，张徐.邯郸文化艺术中心基于性能的抗震设计[J].建筑结构，2011，41（09）：34-43.

[4]陈志强.带有大悬挑构件的高层结构地震反应分析研究[D].西安建筑科技大学，2010.

[5]孙方涛，吴晓涵，吕西林.竖向地震作用下某大跨悬挑结构反应分析[J].结构工程师，2009，25（04）：71-77.

[6]冯丽娟，肖从真，徐自国，李跃林.悬挑结构竖向地震作用分析及设计要点[J].土木工程学报，2008（03）：65-70.