某商業(yè)綜合體中大跨度懸挑梁設(shè)計(jì)

孟李燕++李吉坤

摘 要：本文主要針對(duì)十堰市某商業(yè)綜合體中庭的大跨度懸挑梁展開討論，從結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)概念、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析、施工技術(shù)及施工中應(yīng)注意的問題進(jìn)行了分析和闡述。

關(guān)鍵詞：大跨度懸挑梁；結(jié)構(gòu)方案；結(jié)構(gòu)概念；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.工程概況

本工程位于十堰市，為商業(yè)綜合體建筑，采用框架—剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑地下4層，地上23層，總高度98.3m?？偨ㄖ娣e9.98萬m2。

其中裙房共7層，均為商業(yè)，裙房總高度為38.15m。由于建筑功能的需要在裙房設(shè)有中庭（如圖1所示的局部建筑圖），結(jié)構(gòu)配合建筑，從而產(chǎn)生了大跨度預(yù)應(yīng)力梁（19m）及大跨度挑梁（懸挑8.1m）（如圖2所示的局部結(jié)構(gòu)模板圖）。

由于懸挑梁在整個(gè)建筑工程中具有一定的特殊性，其質(zhì)量方面一旦出現(xiàn)問題，將會(huì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，并產(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故。在大跨度懸挑梁設(shè)計(jì)過程中，其受力合理性、安全儲(chǔ)備問題、施工質(zhì)量、加固施工都非常重要，本文主要以商業(yè)綜合體建筑中的中庭部位大跨度懸挑梁設(shè)計(jì)為例，對(duì)其從結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)概念、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析及施工中應(yīng)注意的問題進(jìn)行了分析和闡述。

2.結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版）》，懸挑梁高度的要求為h=L/5-L/7，故此處8.1m的挑梁高度應(yīng)為1.2m～1.6m。再考慮各種設(shè)備管道尺寸及造型功能等方面的要求，梁高限定在1.1m。該大跨懸臂梁除了承擔(dān)回廊相關(guān)范圍內(nèi)的板荷載外，還要承擔(dān)跨層自動(dòng)扶梯的荷載。鑒于該大跨懸臂梁高度限制的同時(shí)還要承擔(dān)較大剪力，設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用型鋼混凝土梁，利用型鋼腹板承受剪力，既提高了大跨懸臂梁整體的抗剪承載力，又改善了構(gòu)件受剪破壞時(shí)的脆性性能，使構(gòu)件具有良好的變形能力和消耗地震能量的能力。

3.結(jié)構(gòu)概念

十堰市為6度抗震設(shè)防區(qū)，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.10g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。該項(xiàng)目所處場地為建筑抗震一般地段，場地類別為II類。

該項(xiàng)目采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，總高度98.3m。

本項(xiàng)目存在以下不規(guī)則因素：（1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：考慮偶然偏心的扭轉(zhuǎn)位最大移比為1.37，大于1.2.；（2）偏心布置：7層和8層的質(zhì)心相差大于相應(yīng)邊長的15%；（3）樓板不連續(xù)：開洞面積大于30%；（4）尺寸突變：多塔結(jié)構(gòu)；（5）屋面有局部梁上柱轉(zhuǎn)換。根據(jù)《2010超限高層建筑工程抗震設(shè)防專項(xiàng)審查技術(shù)要點(diǎn)》（建質(zhì)[2010]109號(hào)），該項(xiàng)目屬于超限高層。

3.1 抗震等級(jí)的確定

該項(xiàng)目裙房商業(yè)區(qū)屬于重點(diǎn)設(shè)防類（乙類），根據(jù)《高規(guī)》3.9.1條：乙類建筑應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求加強(qiáng)其抗震措施，所以：裙房的框架、剪力墻抗震等級(jí)定為二級(jí)。根據(jù)《高規(guī)》10.6.5條：底盤高度超過房屋高度20%的多塔樓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定：抗震設(shè)計(jì)時(shí)，體型收進(jìn)部位上、下各2層塔樓周邊豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級(jí)宜提高一級(jí)采用，一級(jí)提高至特一級(jí)，抗震等級(jí)已經(jīng)為特一級(jí)時(shí)，允許不再提高。另外《抗規(guī)》3.5.2條：結(jié)構(gòu)體系應(yīng)符合下列各項(xiàng)要求：2應(yīng)避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力；4對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取措施提高其抗震能力。再綜合考慮超限高層的相關(guān)概念，對(duì)裙房部位各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震等級(jí)進(jìn)行確定：框架、剪力墻抗震等級(jí)定為二級(jí)，但大跨懸臂梁及與大跨懸臂梁相關(guān)的框架柱、塔樓周邊豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震等級(jí)為一級(jí)。

3.2 地震作用的確定

高規(guī)4.3.1條：乙類建筑應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度計(jì)算。

高規(guī)4.3.2條：1一般情況下，應(yīng)至少在結(jié)構(gòu)兩個(gè)主軸方向分別計(jì)算水平地震作用；有斜交抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，當(dāng)相交角度大于15°時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算各抗側(cè)力構(gòu)件方向的水平地震作用。2質(zhì)量與剛度分布明顯不對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計(jì)算雙向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響；其他情況，應(yīng)計(jì)算單向水平地震作用下的扭轉(zhuǎn)影響。3高層建筑中的大跨度、長懸臂結(jié)構(gòu)，7度（0.15g）、8度抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)計(jì)入豎向地震作用。

所以該項(xiàng)目不僅要考慮水平地震作用，對(duì)大跨懸臂梁還應(yīng)考慮豎向地震作用。

3.3 撓度與裂縫的確定

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程4.2.8條：型鋼混凝土梁的最大撓度應(yīng)按荷載的短期效應(yīng)組合并考慮長期效應(yīng)組合影響進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算值不應(yīng)大于8100×2/400=40.5mm。

型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程4.2.9條：型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最大裂縫寬度：室內(nèi)正常環(huán)境不應(yīng)大于0.3mm。

4.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

（1）截面選型及布置

該大跨懸臂梁采用型鋼混凝土梁，截面尺寸為600×1100（mm），內(nèi)部為型鋼梁H800×200×16×18。截面圖如圖3所示。

（2）大跨懸臂梁受荷圖如圖4所示。

（3）抗震性能設(shè)計(jì)（表1）

（4）豎向地震作用：該大跨挑梁需考慮豎向地震作用，結(jié)構(gòu)豎向地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值宜采用時(shí)程分析方法或振型分解反應(yīng)譜方法進(jìn)行計(jì)算。時(shí)程分析計(jì)算時(shí)輸入的地震加速度最大值可按規(guī)定的水平輸入最大值的65%采用，反應(yīng)譜分析時(shí)結(jié)構(gòu)豎向地震影響系數(shù)最大值可按水平地震影響系數(shù)最大值的65%采用，但設(shè)計(jì)地震分組可按第一組采用。

（5）采用STAWE與Midas Building兩種軟件進(jìn)行承載力計(jì)算分析。

對(duì)兩種軟件的計(jì)算結(jié)果分別從以下4個(gè)方面進(jìn)行分析比較：①設(shè)計(jì)彎矩包絡(luò)圖；②彎矩圖；③剪力圖；④配筋及鋼構(gòu)件應(yīng)力簡圖，通過分析比較，兩種軟件的計(jì)算結(jié)果互相驗(yàn)證了分析結(jié)構(gòu)的正確性，保證了該方案的結(jié)構(gòu)安全、可行。

（6）型鋼混凝土挑梁的抗剪連接

型鋼上翼緣與混凝土的界面間存在較大的剪應(yīng)力，極可能產(chǎn)生相對(duì)滑移，因而抗剪連接件成為型鋼混凝土組合梁充分發(fā)揮各材料性能的關(guān)鍵。為避免型鋼與混凝土接觸面滑移，在型鋼上下翼緣全長設(shè)置兩排直徑19mm，間距200mm的栓釘。

（7）型鋼混凝土挑梁的撓度及裂縫驗(yàn)算

按《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 138-2001）第5.2.2條驗(yàn)算裂縫寬度，該梁在充分考慮裂縫寬度分布的不均勻性和荷載長期效應(yīng)組合影響的最大裂縫寬度ωmax為0.20mm，而規(guī)范規(guī)定的允許值[ω]為0.3mm，滿足規(guī)范要求。

按《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 138-2001）第5.3.2條驗(yàn)算撓度，該梁的縱向收拉鋼筋的配筋率ρ=0.95%時(shí)，在充分考慮荷載短期效應(yīng)和長期效應(yīng)組合作用下的最大撓度為38.1mm。懸挑梁受彎構(gòu)件的最大撓度限值為，其中l(wèi)0為懸挑梁構(gòu)建的計(jì)算跨度，在使用過程中需要截取實(shí)際懸臂長度的兩倍值，因此，其撓度最大允許限值[f]為8100×2/400=40.5mm，滿足規(guī)范要求。

（8）有限元模型的建立、計(jì)算結(jié)果與分析

借助專業(yè)的有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行補(bǔ)充分析，并建立相應(yīng)的有限元模型，在對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分的過程中，可以采用三角形網(wǎng)格智能法進(jìn)行劃分。其中要求混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C40，泊松比、彈性模量以及密度等相關(guān)參數(shù)都必須與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范相符。挑梁所承擔(dān)的荷載主要包含活載荷恒載兩部分，前者根據(jù)GB 50009-2001（建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范）標(biāo)準(zhǔn)取值為3.5kN/m2；后者則主要包含挑梁自身重量以及上部樓板的荷載及扶梯傳來的荷載，依據(jù)荷載等效的原理，其能夠轉(zhuǎn)化為面荷載之后，再施加到擬建的模型上。通過對(duì)擬建模型的分析來充分了解文中大跨度懸挑梁的應(yīng)力分布規(guī)律和豎向撓度。從參數(shù)可以看出，其最大撓度變形為38.5mm，位置在挑梁端部，滿足規(guī)范限值要求。

（9）實(shí)際配筋：上部鋼筋14ф25 8/6，下部鋼筋：6ф25；箍筋：ф10@100（4），腰筋：N8ф16，型鋼：H700×200×16×18。

5.施工中應(yīng)注意的問題

因建筑工程懸挑梁結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，且極易受到地理位置、外界環(huán)境的影響，為此要想確保工程建設(shè)的順利進(jìn)行，必須加大懸挑梁施工的安全管理，具體來說，在施工過程中需要注意以下幾個(gè)方面的問題：

第一，做好相應(yīng)的施工準(zhǔn)備，包含施工材料準(zhǔn)備、機(jī)械設(shè)備以及人員組織等方面的準(zhǔn)備。施工單位必須對(duì)施工準(zhǔn)備工作予以高度重視，并做好技術(shù)交底。

第二，大跨度懸挑梁在工程施工中比較特殊，屬于超常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)，其支撐部位的施工方案非常關(guān)鍵，本文采用扣件式鋼管腳手架，其立桿支撐主要集中在樓面部位。

第三，在大跨度懸挑梁中設(shè)置相應(yīng)的端柱進(jìn)行聯(lián)系，因各個(gè)層面的支撐柱向懸挑梁端柱傳遞一定的壓力，導(dǎo)致底層懸挑梁受力較大，為此應(yīng)加大懸挑梁配筋的設(shè)置，以便將構(gòu)件裂縫控制在合理的范圍內(nèi)。

第四，在對(duì)型鋼混凝土梁截面進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邊距的具體要求，同時(shí)對(duì)穿過混凝土支撐柱存在的問題加以解決，具體可以用直徑較大的柱縱筋從型鋼穿過，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)型鋼寬度的有效控制，且柱筋配置也符合區(qū)域內(nèi)抗震等級(jí)的要求。

結(jié)語

總而言之，因大跨度懸挑梁在建筑工程中占據(jù)十分重要的位置，且施工工序非常復(fù)雜，所以要求超大懸挑梁設(shè)計(jì)必須符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，有效提升懸挑梁結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。同時(shí)，在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格依據(jù)相關(guān)操作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，確保施工質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。此外，還需要依據(jù)懸挑梁施工的具體情況，采取相應(yīng)的加固措施，對(duì)其構(gòu)件進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)施工。在對(duì)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算的過程中，需要對(duì)各方面情況予以綜合考慮，而不是進(jìn)行簡單的疊加計(jì)算。在工程檢測過程中，有效提升加固后懸挑梁構(gòu)件的安全性和穩(wěn)定性，還需要加大安全等級(jí)的設(shè)計(jì)，為工程施工的高質(zhì)量打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]焉永強(qiáng).關(guān)于懸挑梁設(shè)計(jì)幾個(gè)問題的思考[J].中小企業(yè)管理與科技（下旬刊），2016（3）：46.