本文是一篇建筑工程管理论文，本文以湖北省某市标志性的公共建筑为背景，针对其四面都向外悬挑的建筑特征进行了一定的研究，由于大跨悬挑公共建筑对竖向荷载极为敏感，且人口密集，建筑的重要性较大，有必要对其竖向的地震作用和局部破坏后的抗连续倒塌能力进行深入研究。本文通过对比地震作用工况和非地震作用工况下结构的反应结果得到最佳的结构方案，并在此方案基础上进行动力时程分析，得到结构的动力反应特征，最后结合规范判定悬挑结构的抗连续倒塌性能。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着国民经济的发展和社会日益的进步，人们在享受住房安全性与实用性的同时，也对其外观的优美性和独特性提出越来越高的要求。大悬挑结构因其独特的建筑造型备受人们关注，大量的长悬臂结构开始作为地方标志性建筑而出现在人们的视野中。一般简单的结构体形规则且各层质心与刚心重合，这样的设计无论是对抗震还是由于构件突然的失效而引起的连续倒塌都是非常有利的，然而大悬挑结构包含上述所有超限现象，其抗震性能薄弱，抗连续倒塌性能也相对较差。
由于大悬挑结构对竖向荷载尤为敏感，为了尽可能减小自身质量对结构的影响，一般采用钢结构作为悬挑部分的主要材料，主要有以下几种：桁架、网架、网壳等。
早在十九世纪中期，钢结构便在国外开始发展，其技术在欧美、日本等地区较为成熟，随着工业高潮的来临，钢结构逐渐走向住宅。我国对于钢结构的发展起步较晚，直到二十一世纪才有所成就，近些年来钢结构住宅和公共建筑的发展取得了巨大的进步[1]。钢结构由于其高强度、高韧性、质量轻、材质均匀、耐腐蚀等特点，大量的运用在机场航站楼、大剧院、体育馆和钢连廊等地方，由图 1-1的武汉火车站和图 1-2 的武汉中建三局总部“光谷之心”可以看到钢结构在用于大跨度和大悬挑结构方面是非常有利的。
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1.2 研究现状
悬挑结构除了要抵抗自身质量所产生的竖向荷载外，还要抵抗竖向的地震作用以及竖向的恒活载。另外，悬挑端由于缺少足够的约束，且存在较多的拉压构件，极容易发生局部的构件破坏而导致连续倒塌。因此大悬挑结构的动力特征和抗连续倒塌分析是两项重要的研究内容，国内外针对此二项分析做了许多研究，综述如下：
武大万林艺术博物馆是体型复杂的悬挑结构，国内的张亚旭、叶飞等人对此结构进行竖直地震作用的计算，虽处在 6 度设防区，依然进行了大震作用下的弹塑性时程分析以确保构件的承载力，结果表明部分构件进入塑性耗能阶段，整体未破坏，满足既定的性能目标[2]；中国华能集团人才创新基地办公塔楼是球形悬挑结构，杨育臣、张燕等人对其进行了竖向时程分析，发现在悬挑端的加速度呈放大趋势[3]；吴晓涵、吕西林等人针对某带支撑的悬挑结构，按照考虑和不考虑竖向地震作用进行弹塑性时程分析，发现竖向的地震动对悬挑桁架端部轴力、水平位移的影响较小，且竖向 7 度多遇地震作用情况下对结构的弯矩影响也较小[4]；白泓、王莹等人对孔子国际文化交流中心主馆大悬挑结构进行多遇地震作用下和罕遇地震作用下的计算分析，发现关键构件的应力比均小于 1，且采用悬挑桁架均内伸一跨和在垂直悬挑桁架的平面外设支撑桁架等方法来保证悬挑结构的安全可靠度[5]；郜江、李亚明等人对带有大悬挑的上海天文馆结构进行抗震分析，发现恒活载标准组合下大悬挑端的位移远大于多遇地震作用下的位移[6]；王树、王明珠等人对伊旗全民健身体育中心悬挑结构的地震作用下加速度响应进行分析对比，总结出在每个悬挑层之间应设置竖向联系结构和外斜向的网格结构，以此提高结构的冗余度[7]；林秋怡、余龙等人对某乡镇的悬挑房屋进行抗震分析，发现增设钢筋混凝土斜向柱能提高抗震性能[8]。国外的 Lewis P.Felton 研究了在动力荷载作用下桁架结构的变化情况，并提出一些能提高抗震性能的设计方法[9]；Letchford 等人分别对屋盖为直线型悬挑桁架结构以及屋盖为索桁架的体育挑蓬结构的动力特性进行研究，发现此类结构的阻尼比一般在 1%至 2.5%之间[10]；Shama 等人研究了平面桁架悬挑结构的抗震性能和影响其减震的因素[11]。
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第 2 章 结构与分析方法的介绍
2.1 工程概况
本文以湖北省某市的服务型公共建筑为研究背景。该工程地上共 5 层，首层和第 2 层层高 3.8 米；3 层层高 3.9 米，且向里收进；4 层层高 6.4 米，且四面开始向外悬挑；同样作为悬挑层的 5 层及屋面层层高为 4.6 米，纵方向上悬挑 12 米，横方向上悬挑 8.1 米，建筑总高度 23 米，总建筑面积 57 123 平方米。其采用 MidasGEN 有限元软件的计算模型如图 2-1。
为了保证室内的采光和建筑造型优美，建筑中央采用了三个从底层贯通的中庭，5 层沿纵向的悬挑段存在楼板开洞，3 层、5 层平面图如图 2-3 所示。由于悬挑跨度较大，且多处超限，因此要考虑竖向地震作用，其效果图如图 2-2 所示，设计条件如下：
使用年限：50 年；抗震设防烈度：6 度；设计基本地震加速度值：0. 05g；安全等级：二级；设计地震分组：第一组；建筑场地类别：Ⅱ类；特征周期为：0. 35s；抗震设防类别：标准设防丙类。
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2.2 抗连续倒塌分析
美国的 GSA2003 标准[31]定义了结构连续倒塌：结构受荷载作用所产生的破坏和初始事件不成比例；美国的 ASCE 在 ASCE7-16[32]中关于连续倒塌的定义：结构因突发事件发生局部破坏之后，破坏将从初始破坏位置不断传递，最终导致建筑物整体倒塌或者发生与初始破坏不成比例的大范围倒塌；中国《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）[33]的定义：偶然事件引起的结构局部构件发生破坏，进而促使与失效构件相连的构件发生破坏，最后造成的破坏范围比初始破坏范围更大。虽然不同研究机构关于连续的定义存在一定的差异，但他们都有两个相同特征：1)偶然事件引起的初始破坏；2）不成比例性[34]。
2.2.1抗连续倒塌设计方法
国内目前抗连续倒塌的设计方法主要有四种：
1）概念设计法：在结构本身已具备较好的整体性和延性基础上，针对一些可能的意外事件所采取的定性设计措施，该法思路简单，成本可控。
2）拉结构件法：该法最早被英国建筑法规 Approved Document A[35]采用，后来被各国规范采用，它通过对结构构件之间的连接强度的设计，以增强结构鲁棒性，使备用荷载传递路径能够有效发挥作用，分为竖向拉结、周边拉结以及内部拉结等，拉结力也即为构件和连接不发生倒塌破坏的最低强度[36]。
3）备用荷载路径法：又叫拆除构件法，即有选择性的拆除结构的部分构件，分析剩余结构的内力重分布过程，根据一些准则判定剩余结构是否发生破坏，以此评估结构抵抗连续倒塌的能力。对于规则的结构，美国的 GSA2016[37]规定应拆除结构外围的角部柱子、短边和长边相似柱列的中柱等；对于不规则的结构，设计者应依据经验判断拆除。
本文主要是研究悬挑结构的悬挑部分的抗连续倒塌能力，因此属于不规则结构的范畴，需要寻找有效拆除构件的方法。拆除构件法能够较真实地模拟结构倒塌过程，适合任意意外事件下的结构破坏分析，也是本文所采取的方法。
4）关键构件法：对于重要性高的构件进行专门设计加强，使其具有抵抗超规荷载的能力。
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第 3 章 结构悬挑方案对比及地震作用分析............... 20
3.1 不同悬挑方案的介绍 ............................... 20
3.1.1 受力悬挑钢桁架方案........................ 21
3.1.2 外围封边钢桁架方案...................... 22
第 4 章 弹性时程分析.......................... 38
4.1 地震波的选取 ..................................... 38
4.1.1 波的选取原则.................. 38
4.1.2 选择的地震波......................... 39
第 5 章 悬挑结构的抗连续倒塌分析.............................. 55
5.1 分析参数 ............................. 55
5.1.1 模型参数................................ 55
5.1.2 荷载参数........................57
第 5 章 悬挑结构的抗连续倒塌分析
5.1 分析参数
5.1.1 模型参数
前文已经对本悬挑结构的悬挑方式做了一定的介绍，初步了解到悬挑部分的组成及受力方式，此节针对悬挑部分做进一步的介绍。图 5-1 是悬挑部分的有限元模型，结合第二章的结构平面图，可以直观的看到结构是沿 X 方向和 Y 方向完全对称的，且 4 层、5 层和顶层都向外悬挑，在未考虑横向荷载情况下选择失效构件时，只用研究悬挑构件的四分之一即可。
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结论与展望
本文以湖北省某市标志性的公共建筑为背景，针对其四面都向外悬挑的建筑特征进行了一定的研究，由于大跨悬挑公共建筑对竖向荷载极为敏感，且人口密集，建筑的重要性较大，有必要对其竖向的地震作用和局部破坏后的抗连续倒塌能力进行深入研究。本文通过对比地震作用工况和非地震作用工况下结构的反应结果得到最佳的结构方案，并在此方案基础上进行动力时程分析，得到结构的动
