合肥某工程大懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

柯春明 范一江

華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230086

1 工程概況

本工程坐落于合肥市高新區(qū)，方興大道以西、望江西路以北，屬具備多項(xiàng)不規(guī)則的超限建筑。本工程北部存在大懸挑，懸挑尺寸為16.6m。本文主要討論16.6m懸挑鋼桁架部分的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，其整體效果圖詳圖1。

圖1

本工程北側(cè)大懸挑部分采用鋼桁架結(jié)構(gòu)，斜柱及相鄰柱采用型鋼混凝土柱，樓面梁采用鋼筋混凝土梁(其中北側(cè)大懸挑部分梁采用鋼梁、東西向大懸挑梁采用型鋼混凝土梁），樓蓋采用現(xiàn)澆混凝土板（大懸挑部分?jǐn)M采用輕質(zhì)混凝土組合樓板）。

2 懸挑形式的方案對(duì)比

本工程北側(cè)懸挑尺寸達(dá)16.6m，采取三種受力方案如下：

方案一，懸挑部分采用鋼桁架，每榀均滿(mǎn)設(shè)斜拉桿，懸挑根部柱間設(shè)置交叉斜撐，頂部斜撐往里伸入一跨，詳圖2；方案二，懸挑部分采用鋼桁架，每榀僅設(shè)兩道斜拉桿，懸挑根部柱間設(shè)置單向斜撐，詳圖3；方案三，懸挑部分采用鋼桁架，每榀僅設(shè)兩道斜拉桿，懸挑根部柱根據(jù)恒+活受力情況設(shè)置單向斜撐（拉桿），邊跨與中間跨斜撐二~三層方向不同，詳圖4。

圖2 方案一

圖3 方案二

圖4 方案三

根據(jù)三種方案情況下的桁架軸力圖分析，方案一懸挑部分應(yīng)力較小，方案二，底部三層受力較為均勻，方案三中桿件受力方向變換斜撐后仍有桿件受壓。方案一、二按拆除構(gòu)件法復(fù)核連續(xù)倒塌性能，均未出現(xiàn)連續(xù)倒塌情況，綜合各種因素，結(jié)構(gòu)方案最終采用了方案一[1]。

3 長(zhǎng)懸挑鋼桁架補(bǔ)充分析

3.1 長(zhǎng)懸挑整體傾覆分析

本工程為超長(zhǎng)懸挑結(jié)構(gòu)，端部最大懸挑長(zhǎng)度為16.600m，且本工程樓板中間開(kāi)大洞，從安全角度考慮，取懸挑部分及根部三跨進(jìn)行局部抗傾覆分析。傾覆分析時(shí)，不考慮有利部分樓板處附加恒載及活載，僅考慮自身重量，傾覆點(diǎn)為最北側(cè)一排柱腳位置。傾覆分析計(jì)算時(shí)，僅取懸挑部分及根部3跨模型。

從計(jì)算得出，風(fēng)荷載引起的傾覆力矩?cái)?shù)值較小，此處為簡(jiǎn)化分析，可不考慮。懸臂端傾覆主要考慮沿懸臂方向（Y方向）傾覆，根據(jù)傾覆力矩計(jì)算數(shù)值，與豎向荷載及豎向地震作用疊加即可判斷出柱頂內(nèi)力情況。本工程傾覆點(diǎn)為懸挑根部最外排柱，為簡(jiǎn)化計(jì)算考慮，將Y向地震傾覆力矩計(jì)入模型中考慮，懸挑最大尺寸為16.6m，假想豎向力輸入在懸挑最遠(yuǎn)端，則豎向力為7.847E+005/16.6=47271KN。根據(jù)柱腳反力計(jì)算結(jié)果，可以看出，懸挑結(jié)構(gòu)在中震作用下傾覆力矩較大，僅靠自身重量不能完全平衡懸挑端產(chǎn)生的力矩，且懸挑根部第三排柱截面受拉，故后排柱采用型鋼砼柱，此計(jì)算結(jié)果作為樁基抗拔設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.2 長(zhǎng)懸挑受力補(bǔ)充分析

結(jié)構(gòu)整體分析時(shí)，樓板按剛性假定；大懸挑構(gòu)件計(jì)算配筋時(shí)，按斜桿單元模擬懸挑部分，樓板按彈性假定，樓板荷載及風(fēng)荷載通過(guò)蒙皮倒入到周邊梁上。

懸挑部分配筋按中震彈性考慮，經(jīng)計(jì)算，懸挑部分應(yīng)力比較小，滿(mǎn)足規(guī)范要求。為進(jìn)一步弄清懸挑部分受力情況，本工程采用大型通用有限元軟件SAP2000程序?qū)﹂L(zhǎng)懸挑做補(bǔ)充分析；從圖可以看出，懸挑根部柱軸向壓力值均很小，為安全起見(jiàn)，柱采用型鋼混凝土柱，且型鋼通長(zhǎng)設(shè)置。從不顯示柱后的內(nèi)力圖中可以看出，懸挑桁架在混凝土主體內(nèi)頂層位置產(chǎn)生較大拉力，其他樓層處為軸壓力；設(shè)計(jì)時(shí)懸挑根部?jī)煽缌翰捎眯弯摶炷亮?，縱筋通長(zhǎng)設(shè)置，并嚴(yán)格控制裂縫的寬度，樓板適當(dāng)加厚。

從彎矩圖看出，懸挑部分在內(nèi)部第二跨梁產(chǎn)生較大彎矩，現(xiàn)柱及梁均為型鋼混凝土構(gòu)件，能較好抵抗彎矩。如剪力圖所示，各層端部剪力均較大，此位置梁柱均采用型鋼混凝土構(gòu)件，可承受較大剪力。主體桁架撓度僅為35.6mm,小于規(guī)范L/200=83mm要求,但考慮到使用要求，在桁架構(gòu)件制作過(guò)程中，要求桁架自身起拱L/600。

3.3 斜柱及拉梁受力分析

考慮到斜柱受力較為復(fù)雜，斜柱采用設(shè)置型鋼的混凝土柱，與斜柱相連的梁采用設(shè)置型鋼的混凝土梁，全部梁內(nèi)拉力由型鋼承受。

N1為下層柱軸力，各種工況組合下最大軸力約為12000KN，拉力考慮僅由與斜柱頂連接的梁承擔(dān)，經(jīng)計(jì)算水平拉力T為1920KN，型鋼梁內(nèi)型鋼截面為H700x250x16x25，抗拉強(qiáng)度值為295Mpa，型鋼拉力最大設(shè)計(jì)值為6798KN，拉力T遠(yuǎn)小于型鋼最大設(shè)計(jì)拉力，能達(dá)到要求；下面拉梁型鋼截面與斜柱頂拉梁截面相同，同時(shí)軟件對(duì)拉梁按拉彎構(gòu)件進(jìn)行分析，為保障拉梁的安全性，斜柱及拉梁均按中震彈性要求設(shè)計(jì)[2]。

本工程懸挑較大，北部懸挑鋼桁架的根部均選取型鋼砼梁，型鋼承擔(dān)全部拉力，東西向懸挑計(jì)算時(shí)不考慮樓板承擔(dān)拉力，僅由拉梁內(nèi)型鋼承擔(dān)，且型鋼伸入內(nèi)部一跨，鋼筋之間均為焊接，禁止搭接。為保證型鋼拉力傳遞，型鋼與柱之間加強(qiáng)焊接連接。

3.4 施工階段分析

本工程長(zhǎng)懸挑部分為施工階段分析的關(guān)鍵，全樓共7層，混凝土主體部分施工次序可按施工模擬3考慮（即逐層施工），懸挑部分為鋼結(jié)構(gòu)桁架，通過(guò)主體部分設(shè)置型鋼混凝土柱，與鋼桁架聯(lián)系，實(shí)際施工為型鋼混凝土帶部分懸臂梁段，通過(guò)懸臂梁段，與桁架焊接連接。本工程最長(zhǎng)懸挑尺寸為16.600m，考慮懸臂梁段后尺寸約為15m，故考慮分部運(yùn)輸，現(xiàn)場(chǎng)拼接后按單榀桁架一次吊裝，吊裝完成后鋪設(shè)次梁及壓型鋼板組合樓板，從施工工藝及流程，懸挑部分可作為施工階段分析最后一個(gè)施工步驟，鋼桁架懸挑部分受力分析時(shí)在YJK軟件中采用空間結(jié)構(gòu)建模，空間樓層被自動(dòng)放到最后一個(gè)自然層，基本與實(shí)相符。施工過(guò)程中，應(yīng)依據(jù)具體的施工方案，詳細(xì)進(jìn)行施工驗(yàn)算。

3.5 樓板應(yīng)力分析

從前面計(jì)算可知，懸挑部分產(chǎn)生的拉力最大處為7層樓面，本工程鋼桁架采用壓型鋼板組合樓板，組合樓板施工順序在整體施工后，與主體混凝土屋面并非同時(shí)施工，故壓型鋼板與普通混凝土樓板間連接較弱，設(shè)計(jì)時(shí)從主體樓面梁預(yù)留鋼筋，壓型鋼板混凝土施工時(shí)最后澆筑連接位置，以有效減少重力荷載產(chǎn)生的樓板拉應(yīng)力。

大洞口周?chē)鷺前鍛?yīng)力選取YJK軟件分析，樓板按彈性板6定義。從中震時(shí)樓板應(yīng)力分析得出，樓板應(yīng)力在局部洞口周邊、柱頂處、頂層長(zhǎng)懸挑附近樓板應(yīng)力較大，但基本均未超過(guò)2ftk。

3.6 樓蓋舒適度驗(yàn)算

根據(jù)《高規(guī)》3.7.7條，樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜的舒適度。樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)頻率不宜小于3HZ，豎向振動(dòng)加速度峰值不應(yīng)超過(guò)規(guī)范限值。樓蓋結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)加速度可按《高規(guī)》附錄A計(jì)算[2]。

本工程北側(cè)懸挑部分因采用鋼桁架方案，豎向剛度相對(duì)較大，豎向整體振動(dòng)的頻率為2.77Hz,略小于3Hz。最大峰值加速度為0.041m/s2，計(jì)算達(dá)到規(guī)范要求[3]。

4 總結(jié)

綜上所述，在大懸挑設(shè)計(jì)中，充分利用概念設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行多方案對(duì)比，選擇合適的結(jié)構(gòu)方案；除主樓超限計(jì)算分析外，運(yùn)用SAP2000、YJK軟件補(bǔ)充局部懸挑梁應(yīng)力、傾覆、樓板應(yīng)力、防倒塌、舒適度、豎向地震等計(jì)算分析；數(shù)據(jù)表明，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范的有關(guān)要求，對(duì)于計(jì)算分析中的薄弱部位及關(guān)鍵構(gòu)件，均針對(duì)性加強(qiáng)，保證了結(jié)構(gòu)安全度。本懸挑結(jié)構(gòu)是可行、安全的。