某圓形展廳懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

程 曦

(中國(guó)電子工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100142)

0 引言

隨著我國(guó)科技的進(jìn)步與發(fā)展，越來(lái)越多的復(fù)雜高層建筑中采用懸挑結(jié)構(gòu)。采用鋼桁架結(jié)構(gòu)進(jìn)行懸挑，其優(yōu)點(diǎn)為造型簡(jiǎn)單、跨度合理、經(jīng)濟(jì)性好。本文針對(duì)某復(fù)雜建筑單體中的懸挑結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了方案比選及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，探討類似項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程。

1 工程概況

某復(fù)雜單體建筑含局部圓形展廳，展廳面積800 m2，下方為坡屋面，建筑效果圖如圖1所示。

整體建筑采用鋼筋混凝土框架—抗震墻結(jié)構(gòu)體系，主要結(jié)構(gòu)屋面高度36 m，地上8層，地下1層。地下1層層高6.0 m，地上各層層高均為4.5 m。大跨度展廳位于該建筑物的角部，采用鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，展廳標(biāo)高18.000，跨度32 m，下方為坡屋面，展廳外側(cè)橢球型造型采用肋環(huán)形單層網(wǎng)殼。展廳平面及立面布置圖如圖2，圖3所示。

2 結(jié)構(gòu)選型

針對(duì)展廳建筑平面，擬選用如下幾種結(jié)構(gòu)型式：

1)結(jié)構(gòu)方案1：采用六榀桁架，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)方案優(yōu)點(diǎn)為受力關(guān)系明確，軸以下大跨度懸挑結(jié)構(gòu)僅采用兩榀桁架支撐，造型簡(jiǎn)單，?軸位置有結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對(duì)大跨度桁架抗傾覆有利。缺點(diǎn)為GL1截面過(guò)大，因幕墻造型為橢球型，邊緣處高度很小，GL1對(duì)建筑造型有較為明顯的影響，?軸結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)建筑外觀有些許影響，故未采用該方案。

2)結(jié)構(gòu)方案2：采用八榀桁架，如圖5所示。該結(jié)構(gòu)方案優(yōu)點(diǎn)為有效減小了GL1的截面，對(duì)建筑外觀無(wú)影響，增加的桁架4使得②軸～④軸間鋼梁跨度明顯減小，可以靈活布置次梁位置，躲開(kāi)建筑洞口區(qū)域。缺點(diǎn)為?軸結(jié)構(gòu)構(gòu)件對(duì)建筑外觀有些許影響，且展廳最南側(cè)與最北側(cè)端點(diǎn)位移相差較大，對(duì)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的初始位移較為不利，故未采用該方案。

3)結(jié)構(gòu)方案3：采用12榀桁架，如圖6所示。該結(jié)構(gòu)方案優(yōu)點(diǎn)為取消?軸結(jié)構(gòu)構(gòu)件，建筑造型美觀，展廳最南側(cè)與最北側(cè)端點(diǎn)位移相差較小，對(duì)屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的初始位移有利。展廳內(nèi)部鋼次梁跨度較小，建筑洞口布置靈活，樓板分隔較小，多數(shù)不需要采用臨時(shí)支撐，方便施工。采用該方案作為最終設(shè)計(jì)方案并針對(duì)展廳豎向構(gòu)件進(jìn)行抗傾覆和穩(wěn)定性驗(yàn)算。

3 設(shè)計(jì)參數(shù)

本場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.05g，建筑抗震設(shè)防類別為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類，建筑場(chǎng)地類別Ⅱ類，設(shè)計(jì)地震分組第一組，特征周期0.35 s。

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)做法及業(yè)主使用要求，恒載為3.0 kN/m2(不計(jì)入板上隔墻荷載，結(jié)構(gòu)自重軟件自動(dòng)計(jì)算)，活載考慮人員密集的可能，采用3.5 kN/m2，下掛幕墻結(jié)構(gòu)為1.0 kN/m2。

基本風(fēng)壓0.30 kN/m2(50年一遇)，驗(yàn)算舒適度用風(fēng)壓0.20 kN/m2(10年一遇)，地面粗糙度類別為B類。

根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，本地區(qū)不考慮雪荷載。

考慮鋼結(jié)構(gòu)對(duì)溫度作用比較敏感，考慮基本氣溫，合龍溫度，結(jié)構(gòu)最高最低溫度，當(dāng)?shù)貧鉁乇容^均勻，最后確定結(jié)構(gòu)最大溫升溫降為16 ℃，-12 ℃。

4 結(jié)構(gòu)整體計(jì)算

展廳桁架采用上下弦桿+斜腹桿+豎腹桿型式，為保證水平力傳遞，上下弦桿均伸入支座內(nèi)一跨。為提高整體穩(wěn)定性，減小懸挑長(zhǎng)度，?軸與軸之間設(shè)置兩榀空腹桁架。

桁架及次梁均采用H型鋼，最高截面高度700 mm，樓板采用閉口型壓型鋼板，柱采用型鋼混凝土柱(內(nèi)含十字型鋼)。桁架剖面示意圖如圖7所示。

在地震作用下，采用振型分解反應(yīng)譜法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析(程序自動(dòng)計(jì)算振型個(gè)數(shù)確保參與質(zhì)量系數(shù)需達(dá)到總質(zhì)量的90%以上)。考慮水平地震作用和豎向地震作用。

恒活、地震作用下結(jié)構(gòu)最大位移見(jiàn)表1。

懸挑桁架最大位移57.82 mm，滿足桁架撓度要求，懸挑下弦桿最大應(yīng)力比0.68。

表1 結(jié)構(gòu)最大位移 mm

5 活荷載不利布置

由于展廳南北兩側(cè)懸挑長(zhǎng)度相差較大，故考慮最不利工況：活荷載按照懸挑較大側(cè)(南側(cè))滿布，懸挑較小側(cè)為0(見(jiàn)圖 8)。

考慮活荷載不利布置后，展廳位移情況見(jiàn)表2。

表2 結(jié)構(gòu)最大位移(活荷載不利布置) mm

選取其中一根構(gòu)件，進(jìn)行軸力變化對(duì)比：Z1軸力變化為：4 077.4(正常情況)；3 879.3(活荷載不利布置)。

6 展廳抗傾覆驗(yàn)算

7 結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施

由于結(jié)構(gòu)下方為坡屋面，導(dǎo)致展廳下方兩層層高范圍內(nèi)無(wú)法增設(shè)有效結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)拉結(jié)。故采取如下加強(qiáng)措施，以提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性：

1)在樓電梯間周圈設(shè)置核心筒，核心筒端頭及轉(zhuǎn)角處均采用約束邊緣構(gòu)件，并在展廳標(biāo)高處設(shè)置型鋼混凝土梁，保證水平力的有效傳遞；

2)型鋼混凝土柱與鋼框梁交接處，采用柱縱筋穿筋孔穿過(guò)并補(bǔ)強(qiáng)的施工做法，保證豎向力的連續(xù)；

3)型鋼混凝土柱鋼筋嚴(yán)禁采用搭接連接；

4)桁架下弦設(shè)置水平撐，減小下弦桿平面外計(jì)算長(zhǎng)度；

5)樓板采用150 mm厚閉口型壓型鋼板，增加整體剛度。

8 結(jié)論

1)對(duì)于展廳結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需結(jié)合建筑使用功能及平面布置，考慮經(jīng)濟(jì)性、受力合理及施工方便等多個(gè)因素，綜合確定結(jié)構(gòu)方案；對(duì)于次結(jié)構(gòu)的布置也應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化比較，考慮樓板跨度及結(jié)構(gòu)截面尺寸等因素；

2)對(duì)于大跨度懸挑結(jié)構(gòu)，需考慮豎向地震作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；對(duì)于6度地區(qū)，地震作用影響總體較小，恒活作用為控制項(xiàng)；

3)由于鋼結(jié)構(gòu)對(duì)溫度作用比較敏感，需考慮溫度作用對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；

4)對(duì)于不對(duì)稱展廳結(jié)構(gòu)，需考慮活荷載不利布置工況并進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算；

5)采取有效的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施，確保結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的安全性與穩(wěn)定性。