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摘 要：文章主要针对大跨悬挑结构体系进行了多种结构方案的可行性分析。从结构体系的效率、经济性、建筑方案的适应性等多个方面进行了对比，并且对各种结构解决方案在实际项目中应用的共性以及机构布置需要注意的方面进行了总结归纳。
关键词: 大跨悬挑结构技术；结构体系
中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：
1、 工程概况
本工程为高级酒店的公寓，地下一层，地上十二层，总建筑面积约为42 800，结构高度45m。
本建筑方案具有以下几个方面的特点：1）五个方向的大跨悬挑以及垂直于悬挑方向的转换，并且要满足建筑对房间内观赏户外景观的要求；2）由于五個方向悬挑所引起的楼层内的内力的平衡。
2、 结构体系
在高层建筑，大跨悬挑结构可以采用斜拉转换结构以及悬挂结构等几种结构类型。中央电视台新台址CCTV主楼为L形连体结构连接，最大悬挑跨度70m，支承结构14层，悬臂结构采用支撑筒体+转换桁架结构体系；深圳万科总部大楼设计采用“斜拉桥上盖房”的理念，采用混合框架+拉索结构体系，最大悬挑跨度20m,支承结构4~5层；香港汇丰银行总部大楼上部结构43层，175m高，每隔九层采用转换桁架+吊杆的悬挂结构体系。
从概念设计角度，本工程悬挑结构可以采用斜拉索+转换桁架、底部转换桁架承托以及悬挂结构等几种方案。在可行性方案结构分析阶段，从结构受力性能、与建筑功能立面结合以及经济性等方面进行综合比选，确定适用于本工程的悬挑结构方案。
2.1 斜拉索方案
利用斜拉索的结构形式来解决大跨悬挑结构的优点是斜拉索方案主要通过拉索来增大倾覆弯矩的平衡力臂并利用拉索的轴力来平衡悬挑部分的倾覆弯矩，结构的效率较高；
斜拉索方案的不足在于：1）斜拉索的布置容易影响到建筑的立面，对建筑立面的布置有一定要求；2）斜拉索方案一般要求结构底部设置转换桁架；3）拉索及悬挑桁架的施工可能涉及到结构预调值，对施工措施有较高要求。
2.2 转换桁架承托
根据建筑立面造型，转换桁架可以采用空腹桁架或实腹桁架两种方案，每种方案各有利弊。
空腹桁架
优点：（1）空腹桁架没有斜撑，与建筑平面比较好协调；（2）不影响桁架下层高10m内的有效净高，减少对建筑外观的干扰。
缺点：空腹桁架以抗弯为主，用钢量明显，节点构造要求高，杆件截面较大。
优点：实腹桁架有斜撑，受力主要以轴压为主，效率较高，可结合设备层以做，与建筑的冲突比较少，如需要二次转换，也不影响建筑布置。
缺点：需要占据局部空间（估计3m),底部净高会减少，如果将其布置在3层，则能减少对底部净高影响，但严重影响3层的功能使用、挠度控制比较困难，变形控制要求高。
2.3 悬挂结构方案
对大悬挑结构，除了采用斜拉结构体系外，悬挂结构也是可以考虑的一种结构体系。一般在建筑顶部设置刚度较大的转换结构，通过垂直布置的吊杆，将下部悬挑结构的竖向荷载上部转换层传递。由于结构重心较高，竖向荷载传递路径较长，一般用于低地震区，如香港汇丰银行总部（43层）、南非标准银行大厦（37层），以及德国BMW办公大楼（22层）均采用了悬挂结构体系。一般说来，悬挂结构具有以下特点：1）单一结构抗震防线，不适宜在地震地区或高烈度地震地区建造；2）结构质量重心高，水平地震荷载作用下结构倾覆力矩大；3）抗侧力结构有效宽度减小，结构高度比加大，筒体底部受力复杂，构造要求高；4）材料性能要求高，如吊杆高应力松弛等，相关节点构造复杂（与常规结构体系比较）；5）筒体下基础筏板布桩困难，桩基需要外扩，筏板受力复杂；6）施工技术要求高，包括特殊施工顺序；7）对建筑平、立面布置有特殊要求和限制；8）土建结构造价相对较高。
3、 结构方案对比分析
3.1悬挂方案对比分析
考虑到悬挂方案对建筑立面的影响最小，先对利用悬挂方案来解决该大跨悬挂问题做下面几类关键问题对比分析。
3.1.1 倾覆力矩的平衡
相对一般结构，如何平衡悬挑产生的附加倾覆力矩是本工程设计首先要解决的问题，因此悬挑部分设计为本工程设计的重点和难点。平衡方案有许多种，下面通过两种结构方案的对比来分析请付款力矩的平衡路径。
方案A为单纯依靠剪力墙结构来平衡悬臂部分的倾覆力矩；方案B为考虑桁架上下弦所对应的芯筒内部楼板的支撑作用，与剪力墙共同平衡桁架的倾覆力矩。分析结果见表1。
结构计算指标比较表1
分析结果表明，单靠剪力墙刚度平衡倾覆力矩远不能满足悬臂桁架的挠度要求，需要利用桁架上弦平面的对应的芯筒受拉层以及桁架下弦平面对应的芯筒受压层的刚度来共同平衡；方案B中可以看出倾覆弯矩的抵抗大部分是靠桁架上下弦对应的芯筒楼板来平衡，剪力墙承担的比例较小，单靠增加剪力墙的厚度效果不大。
3.1.2 顶层受拉楼板布置方案比较
悬臂部分倾覆力矩主要通过桁架上弦平面的对应的芯筒受拉楼板以及桁架下弦平面对应的芯筒楼板受压来平衡，其中上弦平面考虑平面支撑+钢楼板与纯平面支撑两种方案对比，计算结果如表2。
楼板布置方案计算指标比较（mm,kN,kN·m） 表2
由表格中的对比分析结果可知，顶层采用纯支持方案悬臂桁架的挠度要明显大于钢楼板+支撑的方案，并且纯支持方案的中间桁架的变形不能满足规范要求；采用纯斜撑方案，与钢楼板+支撑方案相比，会明显增加剪力墙芯筒的弯矩，产生较大的弯曲变形，对剪力墙设计不利。
3.1.3 芯筒布置的影响
考虑建筑方案中可能会采用不封闭芯筒的布置方案，即将与悬挑方向垂直的墙肢去掉，使悬挑结构支座成为两片独立墙肢；与原有的保留四面墙体的封闭方案进行分析比较。整体周期结果见表3。
两种芯筒布置方案计算指标比较表3
采用芯筒不封闭布置方案，结构的扭转刚度明显下降，扭转周期变大，成为结构的第一周期，不符合规范规定的第一扭转周期与第一平动周期的壁纸小于0.85的限制，不建议采用不封闭芯筒布置方案，但可以合理部位开设门洞，设置连梁，有利于建筑平面布置。
芯筒不封闭的布置，相当于削弱了平行于悬挑方向墙肢的“翼缘”部分，墙体的抗弯度减小，扭转刚度急剧下降，墙体变形增加，对内力的影响相对较小。
综上所述，采用悬挂结构体系在总体上是可行的，结构需要在建筑顶部两层（一层桁架刚度不足）设置转换桁架层，通过垂直的吊杆悬挂下部结构，吊杆位置与建筑柱网一致。桁架的斜杆布置可以采用跨层布置方式，可以与建筑门洞有机结合且有相对灵活性。
3.2 斜拉方案与实辅桁方案对比分析
前面进行了实腹式桁架与空腹式桁架的对比，本部分分析重点对斜拉索方案与实腹方案进行对比分析。
方案A为底部桁架+斜拉索方案；方案B为考虑桁架上下弦所对应的芯筒内部楼面的支撑作用的实腹桁架方案。分析结果见图3和表4。
结构计算指标比较表4
从桁架的端部竖向变形可以看出，两种方案的悬挑桁架结构刚度比较接近，并都能满足规范的限制要求。
3.2.1 倾覆力矩的平衡路径
实腹式桁架方案的倾覆力矩主要通过桁架上弦平面的对应的芯筒受拉层以及桁架下弦平面对应的芯筒受压层来平衡，其中受压楼层利用混凝土楼板平衡压力，上弦平面考虑平面支撑+鋼楼板与纯平面支撑；斜拉索方案的倾覆力矩主要通过斜拉索的传递到顶层平面的拉力（详见图4）与底层桁架部分传递到楼面的压力形成的抵抗力矩来平衡倾覆力矩。
从表中数据可以看出，斜拉索方案顶层的水平反力要明显小于实腹桁架方案的水平反力，而且斜拉索方案桁架+拉索部分提供给的抵抗倾覆力矩占总倾覆力矩比例更大，这是由于斜拉索方案的抵抗力矩利用的力臂是整个楼高要明显高于实腹桁架方案的力臂高度，说明斜拉索方案抵抗倾覆力矩的小轮车要比实腹桁架方案高。
3.2.2 构件尺寸及内力
由于斜拉索方案利用拉索来提供抵抗倾覆力矩，桁架的构件内力要明显小于实腹桁架方案，因而斜拉索方案的构件尺寸也明显小于实腹桁架方案，用钢梁也相对节省。
对于斜拉索方案，悬挑部分柱子需要承受上部楼层传递的压力荷载，与实腹桁架方案中承受拉力的吊柱相比，构件尺寸要相对增大。
由斜拉索方案中的拉索内力可知，拉索可采用高强度的钢棒，直径可在180mm左右。
3.3 经济性分析
作为结构方案的前期可行性分析，本工程还进行了悬挂和斜拉两种结构方案的经济性比较，其中悬挑区域：桁架、拉索、框架柱、楼面次梁及楼板与悬挂结构用钢量对比可见表5。
方案用钢量指标比较表5
由表中用钢量对比可以看出，斜拉索方案桁架部分比悬挑方案用钢量明显小，但楼面钢柱有所增大，并且增加了拉索，拉索单价相对比较高，所以整体上斜拉索方案钢结构造价比悬挑方案有所减小，但减少的程度有限。
4、 结束语：
通过以上对于大跨悬挑结构的各种结构解决方案的对比，我们总结出对于大跨悬挑结构的结构方案选择，需要根据实际工程的特点进行以下几方面的分析比选：
（1）倾覆力矩的平衡路径，如何进量增加抗倾覆弯矩的力臂以及利用楼面的作用。
（2）如何平衡由悬挑部分传递到芯筒内部的荷载。
此外，我们还对本工程进行了竖向地震作用、悬挑部分楼盖的舒适度、活荷载不利分布以及考虑施工方案对结构刚度形成影响的施工模拟工况等几个方面的分析，限于篇幅我们将在其它文章中详尽介绍。
关键词: 大跨悬挑结构技术；结构体系
中图分类号：TU318 文献标识码：A 文章编号：
1、 工程概况
本工程为高级酒店的公寓，地下一层，地上十二层，总建筑面积约为42 800，结构高度45m。
本建筑方案具有以下几个方面的特点：1）五个方向的大跨悬挑以及垂直于悬挑方向的转换，并且要满足建筑对房间内观赏户外景观的要求；2）由于五個方向悬挑所引起的楼层内的内力的平衡。
2、 结构体系
在高层建筑，大跨悬挑结构可以采用斜拉转换结构以及悬挂结构等几种结构类型。中央电视台新台址CCTV主楼为L形连体结构连接，最大悬挑跨度70m，支承结构14层，悬臂结构采用支撑筒体+转换桁架结构体系；深圳万科总部大楼设计采用“斜拉桥上盖房”的理念，采用混合框架+拉索结构体系，最大悬挑跨度20m,支承结构4~5层；香港汇丰银行总部大楼上部结构43层，175m高，每隔九层采用转换桁架+吊杆的悬挂结构体系。
从概念设计角度，本工程悬挑结构可以采用斜拉索+转换桁架、底部转换桁架承托以及悬挂结构等几种方案。在可行性方案结构分析阶段，从结构受力性能、与建筑功能立面结合以及经济性等方面进行综合比选，确定适用于本工程的悬挑结构方案。
2.1 斜拉索方案
利用斜拉索的结构形式来解决大跨悬挑结构的优点是斜拉索方案主要通过拉索来增大倾覆弯矩的平衡力臂并利用拉索的轴力来平衡悬挑部分的倾覆弯矩，结构的效率较高；
斜拉索方案的不足在于：1）斜拉索的布置容易影响到建筑的立面，对建筑立面的布置有一定要求；2）斜拉索方案一般要求结构底部设置转换桁架；3）拉索及悬挑桁架的施工可能涉及到结构预调值，对施工措施有较高要求。
2.2 转换桁架承托
根据建筑立面造型，转换桁架可以采用空腹桁架或实腹桁架两种方案，每种方案各有利弊。
空腹桁架
优点：（1）空腹桁架没有斜撑，与建筑平面比较好协调；（2）不影响桁架下层高10m内的有效净高，减少对建筑外观的干扰。
缺点：空腹桁架以抗弯为主，用钢量明显，节点构造要求高，杆件截面较大。
优点：实腹桁架有斜撑，受力主要以轴压为主，效率较高，可结合设备层以做，与建筑的冲突比较少，如需要二次转换，也不影响建筑布置。
缺点：需要占据局部空间（估计3m),底部净高会减少，如果将其布置在3层，则能减少对底部净高影响，但严重影响3层的功能使用、挠度控制比较困难，变形控制要求高。
2.3 悬挂结构方案
对大悬挑结构，除了采用斜拉结构体系外，悬挂结构也是可以考虑的一种结构体系。一般在建筑顶部设置刚度较大的转换结构，通过垂直布置的吊杆，将下部悬挑结构的竖向荷载上部转换层传递。由于结构重心较高，竖向荷载传递路径较长，一般用于低地震区，如香港汇丰银行总部（43层）、南非标准银行大厦（37层），以及德国BMW办公大楼（22层）均采用了悬挂结构体系。一般说来，悬挂结构具有以下特点：1）单一结构抗震防线，不适宜在地震地区或高烈度地震地区建造；2）结构质量重心高，水平地震荷载作用下结构倾覆力矩大；3）抗侧力结构有效宽度减小，结构高度比加大，筒体底部受力复杂，构造要求高；4）材料性能要求高，如吊杆高应力松弛等，相关节点构造复杂（与常规结构体系比较）；5）筒体下基础筏板布桩困难，桩基需要外扩，筏板受力复杂；6）施工技术要求高，包括特殊施工顺序；7）对建筑平、立面布置有特殊要求和限制；8）土建结构造价相对较高。
3、 结构方案对比分析
3.1悬挂方案对比分析
考虑到悬挂方案对建筑立面的影响最小，先对利用悬挂方案来解决该大跨悬挂问题做下面几类关键问题对比分析。
3.1.1 倾覆力矩的平衡
相对一般结构，如何平衡悬挑产生的附加倾覆力矩是本工程设计首先要解决的问题，因此悬挑部分设计为本工程设计的重点和难点。平衡方案有许多种，下面通过两种结构方案的对比来分析请付款力矩的平衡路径。
方案A为单纯依靠剪力墙结构来平衡悬臂部分的倾覆力矩；方案B为考虑桁架上下弦所对应的芯筒内部楼板的支撑作用，与剪力墙共同平衡桁架的倾覆力矩。分析结果见表1。
结构计算指标比较表1
分析结果表明，单靠剪力墙刚度平衡倾覆力矩远不能满足悬臂桁架的挠度要求，需要利用桁架上弦平面的对应的芯筒受拉层以及桁架下弦平面对应的芯筒受压层的刚度来共同平衡；方案B中可以看出倾覆弯矩的抵抗大部分是靠桁架上下弦对应的芯筒楼板来平衡，剪力墙承担的比例较小，单靠增加剪力墙的厚度效果不大。
3.1.2 顶层受拉楼板布置方案比较
悬臂部分倾覆力矩主要通过桁架上弦平面的对应的芯筒受拉楼板以及桁架下弦平面对应的芯筒楼板受压来平衡，其中上弦平面考虑平面支撑+钢楼板与纯平面支撑两种方案对比，计算结果如表2。
楼板布置方案计算指标比较（mm,kN,kN·m） 表2
由表格中的对比分析结果可知，顶层采用纯支持方案悬臂桁架的挠度要明显大于钢楼板+支撑的方案，并且纯支持方案的中间桁架的变形不能满足规范要求；采用纯斜撑方案，与钢楼板+支撑方案相比，会明显增加剪力墙芯筒的弯矩，产生较大的弯曲变形，对剪力墙设计不利。
3.1.3 芯筒布置的影响
考虑建筑方案中可能会采用不封闭芯筒的布置方案，即将与悬挑方向垂直的墙肢去掉，使悬挑结构支座成为两片独立墙肢；与原有的保留四面墙体的封闭方案进行分析比较。整体周期结果见表3。
两种芯筒布置方案计算指标比较表3
采用芯筒不封闭布置方案，结构的扭转刚度明显下降，扭转周期变大，成为结构的第一周期，不符合规范规定的第一扭转周期与第一平动周期的壁纸小于0.85的限制，不建议采用不封闭芯筒布置方案，但可以合理部位开设门洞，设置连梁，有利于建筑平面布置。
芯筒不封闭的布置，相当于削弱了平行于悬挑方向墙肢的“翼缘”部分，墙体的抗弯度减小，扭转刚度急剧下降，墙体变形增加，对内力的影响相对较小。
综上所述，采用悬挂结构体系在总体上是可行的，结构需要在建筑顶部两层（一层桁架刚度不足）设置转换桁架层，通过垂直的吊杆悬挂下部结构，吊杆位置与建筑柱网一致。桁架的斜杆布置可以采用跨层布置方式，可以与建筑门洞有机结合且有相对灵活性。
3.2 斜拉方案与实辅桁方案对比分析
前面进行了实腹式桁架与空腹式桁架的对比，本部分分析重点对斜拉索方案与实腹方案进行对比分析。
方案A为底部桁架+斜拉索方案；方案B为考虑桁架上下弦所对应的芯筒内部楼面的支撑作用的实腹桁架方案。分析结果见图3和表4。
结构计算指标比较表4
从桁架的端部竖向变形可以看出，两种方案的悬挑桁架结构刚度比较接近，并都能满足规范的限制要求。
3.2.1 倾覆力矩的平衡路径
实腹式桁架方案的倾覆力矩主要通过桁架上弦平面的对应的芯筒受拉层以及桁架下弦平面对应的芯筒受压层来平衡，其中受压楼层利用混凝土楼板平衡压力，上弦平面考虑平面支撑+鋼楼板与纯平面支撑；斜拉索方案的倾覆力矩主要通过斜拉索的传递到顶层平面的拉力（详见图4）与底层桁架部分传递到楼面的压力形成的抵抗力矩来平衡倾覆力矩。
从表中数据可以看出，斜拉索方案顶层的水平反力要明显小于实腹桁架方案的水平反力，而且斜拉索方案桁架+拉索部分提供给的抵抗倾覆力矩占总倾覆力矩比例更大，这是由于斜拉索方案的抵抗力矩利用的力臂是整个楼高要明显高于实腹桁架方案的力臂高度，说明斜拉索方案抵抗倾覆力矩的小轮车要比实腹桁架方案高。
3.2.2 构件尺寸及内力
由于斜拉索方案利用拉索来提供抵抗倾覆力矩，桁架的构件内力要明显小于实腹桁架方案，因而斜拉索方案的构件尺寸也明显小于实腹桁架方案，用钢梁也相对节省。
对于斜拉索方案，悬挑部分柱子需要承受上部楼层传递的压力荷载，与实腹桁架方案中承受拉力的吊柱相比，构件尺寸要相对增大。
由斜拉索方案中的拉索内力可知，拉索可采用高强度的钢棒，直径可在180mm左右。
3.3 经济性分析
作为结构方案的前期可行性分析，本工程还进行了悬挂和斜拉两种结构方案的经济性比较，其中悬挑区域：桁架、拉索、框架柱、楼面次梁及楼板与悬挂结构用钢量对比可见表5。
方案用钢量指标比较表5
由表中用钢量对比可以看出，斜拉索方案桁架部分比悬挑方案用钢量明显小，但楼面钢柱有所增大，并且增加了拉索，拉索单价相对比较高，所以整体上斜拉索方案钢结构造价比悬挑方案有所减小，但减少的程度有限。
4、 结束语：
通过以上对于大跨悬挑结构的各种结构解决方案的对比，我们总结出对于大跨悬挑结构的结构方案选择，需要根据实际工程的特点进行以下几方面的分析比选：
（1）倾覆力矩的平衡路径，如何进量增加抗倾覆弯矩的力臂以及利用楼面的作用。
（2）如何平衡由悬挑部分传递到芯筒内部的荷载。
此外，我们还对本工程进行了竖向地震作用、悬挑部分楼盖的舒适度、活荷载不利分布以及考虑施工方案对结构刚度形成影响的施工模拟工况等几个方面的分析，限于篇幅我们将在其它文章中详尽介绍。