南安市某工程豎向外挑結(jié)構(gòu)方案比選及設(shè)計(jì)

鄭成偉

中國(guó)汽車工業(yè)工程有限公司廈門分公司（361000）

南安市某工程豎向外挑結(jié)構(gòu)方案比選及設(shè)計(jì)

鄭成偉

中國(guó)汽車工業(yè)工程有限公司廈門分公司（361000）

以某工程為例，從建筑功能、工程造價(jià)和施工難度等方面對(duì)豎向外挑結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行比選，詳細(xì)介紹了該工程的整體計(jì)算、懸臂梁的設(shè)計(jì)、抗震驗(yàn)算及其他事項(xiàng)。

豎向外挑結(jié)構(gòu)；安裝比選；設(shè)計(jì)；抗震驗(yàn)算

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,建筑功能日漸多樣,大體量的商業(yè)建筑、綜合體已不再罕見(jiàn)，因此，建設(shè)方對(duì)于建筑立面外觀有了更高的要求，以求在眾多的同類建筑中給人留下深刻的印象。在本工程中，建筑方案為體現(xiàn)差異性，立面從二層豎向外挑6.3 m，用以達(dá)到上下對(duì)比強(qiáng)烈的目的。

1 工程概況

本工程位于福建省南安市水頭鎮(zhèn)，地下1層為車庫(kù)及設(shè)備用房，地上4層，建筑高度為21.15 m，地上建筑面積為2.4萬(wàn)m2，地上1～2層建筑功能為店面、商店、商店倉(cāng)庫(kù)，3～4層建筑功能為辦公、商店倉(cāng)庫(kù)。根據(jù)建筑造型需要，2～4層的建筑在1層的外輪廓基礎(chǔ)上外挑6.3 m，形成一個(gè)3層高的豎向外挑。

根據(jù)建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)，本工程地上1～2層的商場(chǎng)營(yíng)業(yè)面積已超過(guò)7 000 m2，因此將地上1～2層的抗震設(shè)防類別定為重點(diǎn)設(shè)防類（乙類）；地上3～4層的辦公面積小于8萬(wàn)m2，因此不提高抗震設(shè)防類別，依然定為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類（丙類）。本工程結(jié)構(gòu)體系為混凝土框架，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為7度，地震加速度為0.15 g，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，場(chǎng)地類別為2類，框架抗震等級(jí)為二級(jí)，乙類建筑范圍的框架抗震等級(jí)為一級(jí)?；撅L(fēng)壓0.65 kPa，地面粗糙度為B類。

圖1 工程平面圖

2 外挑方案比選

2.1 外挑結(jié)構(gòu)采用長(zhǎng)懸臂梁

采用分層設(shè)懸臂梁，在2層及以上外挑部分層層懸挑，每層單獨(dú)受力，樓層之間相互不影響。此方案的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單明晰，不需要考慮整體作用，結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)建筑功能無(wú)影響.缺點(diǎn)在于懸臂結(jié)構(gòu)缺乏多余約束，懸臂構(gòu)件冗余度較低，需要采用更可靠、合理的處理方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)懸臂長(zhǎng)度及受力情況，懸挑4 m以上的長(zhǎng)懸臂構(gòu)件可以采用型鋼混凝土梁、預(yù)應(yīng)力混凝土梁、預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁等做法。型鋼混凝土梁和預(yù)應(yīng)力混凝土梁相比，在造價(jià)上相差無(wú)幾，型鋼混凝土梁需考慮節(jié)節(jié)點(diǎn)設(shè)置鋼柱，增加鋼柱產(chǎn)生的費(fèi)用較預(yù)應(yīng)力混凝土梁有所增加。在施工難度上,預(yù)應(yīng)力混凝土梁需要專門的預(yù)應(yīng)力隊(duì)伍施工。綜合考慮，在幾種懸臂方案中，選擇預(yù)應(yīng)力混凝土梁方案，在應(yīng)力較大的懸挑部位，采用預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁方案。

2.2 外挑結(jié)構(gòu)采用懸挑斜腹桁架方案

懸挑部分采用跨層的十字交叉桁架，交叉桁架剛度大，受力傳遞路徑明確，可以充分發(fā)揮桁架整體受力性能。此方案結(jié)構(gòu)整體性好，構(gòu)件冗余度高，無(wú)需專業(yè)隊(duì)伍施工，造價(jià)較低。經(jīng)過(guò)與建筑專業(yè)協(xié)商，認(rèn)為交叉桁架的斜桿對(duì)建筑使用功能影響較大，即便將桁架數(shù)量減少，采用間隔布置，之間采用普通混凝土梁，建筑專業(yè)亦無(wú)法接受，并且外圍封邊桁架對(duì)建筑立面風(fēng)格影響也較大。綜合比較后，本工程放棄采用斜腹桁架方案。

2.3 外挑結(jié)構(gòu)采用懸挑空腹桁架方案

懸挑部分采用空腹桁架，桁架由上、下弦桿和直腹桿組成。此方案優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)建筑空間基本無(wú)影響，與長(zhǎng)懸臂方案相比增加了端部約束，具有一定的冗余度。缺點(diǎn)在于空腹桁架依靠弦桿拉壓來(lái)承擔(dān)的彎矩小，弦桿自身也需承擔(dān)較大的彎矩，受力情況優(yōu)于懸臂構(gòu)件，但配筋總量增加，節(jié)點(diǎn)施工復(fù)雜，造價(jià)較斜腹桁架方案高。

對(duì)以上三種方案進(jìn)行比選后，最終選擇了結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單的長(zhǎng)懸臂梁方案，并按長(zhǎng)懸臂方案進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工。

3 整體計(jì)算與懸臂梁的設(shè)計(jì)

本工程采用SATWE程序進(jìn)行整體計(jì)算。整體建模求出預(yù)應(yīng)力梁在外部恒載、活載作用下的構(gòu)件內(nèi)力。整體計(jì)算時(shí)，由于周圈外挑部分較多，導(dǎo)致樓面荷載布置偏向豎向構(gòu)件外圍分布，因此，需要加強(qiáng)外圍結(jié)構(gòu)剛度，提高整體建筑抗扭剛度。同時(shí)，盡量減輕外挑范圍結(jié)構(gòu)自重，減少外挑部分帶來(lái)的不利影響，在建筑功能無(wú)法改變的情況下，盡量降低結(jié)構(gòu)自重。綜合考慮后，本工程外挑部分樓板厚度由150 mm降低至100 mm。為避免預(yù)應(yīng)力混凝土梁對(duì)周邊樓板的影響，外挑部分樓板采用雙層雙向配筋，配筋率不小于0.25%。

本工程的預(yù)應(yīng)力懸臂梁中分別配置有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋參與強(qiáng)度計(jì)算，用來(lái)部分替代普通鋼筋，避免普通鋼筋布置過(guò)多，影響施工。無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋不參與強(qiáng)度計(jì)算，只用來(lái)控制預(yù)應(yīng)力梁的抗裂和撓度。

預(yù)應(yīng)力懸臂梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，預(yù)應(yīng)力筋采用1 860 MPa的低松弛鋼絞線，普通鋼筋和箍筋均采用400 MPa的高強(qiáng)鋼筋。懸臂外挑長(zhǎng)度6.3 m，預(yù)應(yīng)力懸臂梁的尺寸普遍為600 mm×800 mm，根部加腋高度400 mm。為使受力合理，懸臂梁內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼筋向柱內(nèi)側(cè)延伸一跨，延伸跨內(nèi)的預(yù)應(yīng)力鋼筋采用直線束布置。預(yù)應(yīng)力鋼束由有黏結(jié)鋼絞線和無(wú)黏結(jié)鋼絞線分別布置，預(yù)應(yīng)力筋采用Φ15.2鋼絞線，采用一端張拉的施工工藝，固定端采用擠壓錨。有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋張拉端采用群錨，無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋張拉端采用單孔夾片錨。

在設(shè)計(jì)中,由于建筑角部區(qū)域?yàn)殡p向懸挑，為控制端部的撓度、裂縫，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的尺寸加大為700 mm×1 300 mm，并且將角部6.3 m×6.3 m的板塊均勻布設(shè)井字梁，井字梁截面為500 mm×800 mm?？紤]設(shè)計(jì)中角部混凝土柱受力較大，截面已達(dá)到1 200 mm×1 200 mm，若采用鋼筋混凝土柱，截面、配筋均較大，因此在與雙向懸挑梁相接的角柱中增加了十字形鋼骨，用以增加混凝土柱的延性,并減少普通鋼筋的配置，便于施工澆筑。

由于建筑功能的變化，本工程加設(shè)了電動(dòng)扶梯，懸挑梁的內(nèi)力相較于其余角部增加較多，因此，于此處設(shè)置了預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁，梁截面為1 200 mm×1 300 mm，型鋼截面高度為900 mm，材質(zhì)為Q345B。因施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，并無(wú)預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土的設(shè)計(jì)規(guī)范做為設(shè)計(jì)依據(jù)，為安全考慮，在裂縫及撓度計(jì)算時(shí)，不考慮型鋼的有利作用。

圖2 預(yù)應(yīng)力鋼鉸曲線布置做法圖

4 抗震驗(yàn)算及其他事項(xiàng)

根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011-2010）規(guī)定，本工程為7度區(qū)，長(zhǎng)懸臂構(gòu)件可不考慮豎向地震作用，因底部?jī)蓪釉O(shè)防類別為乙類，為保證安全，對(duì)長(zhǎng)懸臂構(gòu)件補(bǔ)充按震型分解反應(yīng)譜法計(jì)算豎向地震。計(jì)算時(shí)，由于建筑為多層，高度不高，豎向地震作用效應(yīng)放大很不明顯，計(jì)算震型數(shù)超過(guò)150之后，有效質(zhì)量系數(shù)仍然難以達(dá)到90%，因此，改用多重里茲向量法，經(jīng)計(jì)算后可滿足有效質(zhì)量系數(shù)的計(jì)算要求。對(duì)比計(jì)算結(jié)果，考慮豎向地震作用之后，長(zhǎng)懸臂構(gòu)件的內(nèi)力略有增加，增量在2%以內(nèi)，基本可以不用考慮。

預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁的注意事項(xiàng)。在混凝土梁內(nèi)，預(yù)應(yīng)力鋼筋是主要受力構(gòu)件。施工中當(dāng)其他工種與預(yù)應(yīng)力筋發(fā)生矛盾時(shí)，應(yīng)保證預(yù)應(yīng)力鋼束束形的正確。當(dāng)遇上型鋼時(shí)，在構(gòu)件布置階段就需考慮兩者的避讓，型鋼梁、柱優(yōu)先選用窄翼緣的類型，預(yù)應(yīng)力束開(kāi)孔位置應(yīng)避開(kāi)柱翼緣,在腹板位置開(kāi)孔。加工時(shí)需保證型鋼開(kāi)孔位置準(zhǔn)確，避免現(xiàn)場(chǎng)擴(kuò)孔。

與長(zhǎng)懸臂混凝土梁相鄰的框架柱，抗震等級(jí)按提高一級(jí)采用。本工程中，底部?jī)蓪拥耐鈬蚣苤?，抗震等?jí)提高至一級(jí)。三層以上部分的外圍框架柱，抗震等級(jí)提高至二級(jí)。對(duì)于埋設(shè)十字型鋼的框架柱，節(jié)點(diǎn)做法需要特別注意，柱內(nèi)箍筋以不穿過(guò)型鋼為原則進(jìn)行布置。根據(jù)型鋼位置，內(nèi)部設(shè)置不穿過(guò)型鋼的八字形拉筋。遇到預(yù)應(yīng)力鋼絲束，采用在十字型鋼的腹板開(kāi)孔做法,波紋管能通過(guò)即可，保證預(yù)應(yīng)力鋼束的貫通。

5 結(jié)論

本工程采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁和預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土梁的懸臂結(jié)構(gòu)，達(dá)到了建筑立面外挑6.3 m的要求，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

對(duì)于外挑結(jié)構(gòu)方案,應(yīng)進(jìn)行多方案比選后確定，在外挑4.5～7.5 m范圍，選用懸臂梁方案較為合適。對(duì)于外挑結(jié)構(gòu)，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)外圍框架截面，提高結(jié)構(gòu)抗扭剛度。對(duì)與長(zhǎng)懸臂梁相連的豎向構(gòu)件，宜提高其抗震等級(jí)。