某商業綜合體中大跨度懸挑梁設計

孟李燕++李吉坤

摘 要：本文主要針對十堰市某商業綜合體中庭的大跨度懸挑梁展開討論，從結構方案、結構概念、結構設計與分析、施工技術及施工中應注意的問題進行了分析和闡述。

關鍵詞：大跨度懸挑梁；結構方案；結構概念；結構設計

中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A

1.工程概況

本工程位于十堰市，為商業綜合體建筑，采用框架—剪力墻結構。建筑地下4層，地上23層，總高度98.3m。總建筑面積9.98萬m2。

其中裙房共7層，均為商業，裙房總高度為38.15m。由于建筑功能的需要在裙房設有中庭（如圖1所示的局部建筑圖），結構配合建筑，從而產生了大跨度預應力梁（19m）及大跨度挑梁（懸挑8.1m）（如圖2所示的局部結構模板圖）。

由于懸挑梁在整個建筑工程中具有一定的特殊性，其質量方面一旦出現問題，將會對建筑結構構成嚴重威脅，并產生嚴重的安全事故。在大跨度懸挑梁設計過程中，其受力合理性、安全儲備問題、施工質量、加固施工都非常重要，本文主要以商業綜合體建筑中的中庭部位大跨度懸挑梁設計為例，對其從結構方案、結構概念、結構設計與分析及施工中應注意的問題進行了分析和闡述。

2.結構方案

根據《混凝土結構設計手冊（第二版）》，懸挑梁高度的要求為h=L/5-L/7，故此處8.1m的挑梁高度應為1.2m～1.6m。再考慮各種設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回廊相關范圍內的板荷載外，還要承擔跨層自動扶梯的荷載。鑒于該大跨懸臂梁高度限制的同時還要承擔較大剪力，設計時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，又改善了構件受剪破壞時的脆性性能，使構件具有良好的變形能力和消耗地震能量的能力。

3.結構概念

十堰市為6度抗震設防區，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第一組。該項目所處場地為建筑抗震一般地段，場地類別為II類。

該項目采用框架-剪力墻結構，總高度98.3m。

本項目存在以下不規則因素：（1）扭轉不規則：考慮偶然偏心的扭轉位最大移比為1.37，大于1.2.；（2）偏心布置：7層和8層的質心相差大于相應邊長的15%；（3）樓板不連續：開洞面積大于30%；（4）尺寸突變：多塔結構；（5）屋面有局部梁上柱轉換。根據《2010超限高層建筑工程抗震設防專項審查技術要點》（建質[2010]109號），該項目屬于超限高層。

3.1 抗震等級的確定

該項目裙房商業區屬于重點設防類（乙類），根據《高規》3.9.1條：乙類建筑應按本地區抗震設防烈度提高一度的要求加強其抗震措施，所以：裙房的框架、剪力墻抗震等級定為二級。根據《高規》10.6.5條：底盤高度超過房屋高度20%的多塔樓結構的設計應符合下列規定：抗震設計時，體型收進部位上、下各2層塔樓周邊豎向結構構件的抗震等級宜提高一級采用，一級提高至特一級，抗震等級已經為特一級時，允許不再提高。另外《抗規》3.5.2條：結構體系應符合下列各項要求：2應避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力；4對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高其抗震能力。再綜合考慮超限高層的相關概念，對裙房部位各結構構件的抗震等級進行確定：框架、剪力墻抗震等級定為二級，但大跨懸臂梁及與大跨懸臂梁相關的框架柱、塔樓周邊豎向結構構件抗震等級為一級。

3.2 地震作用的確定

高規4.3.1條：乙類建筑應按本地區抗震設防烈度計算。

高規4.3.2條：1一般情況下，應至少在結構兩個主軸方向分別計算水平地震作用；有斜交抗側力構件的結構，當相交角度大于15°時，應分別計算各抗側力構件方向的水平地震作用。2質量與剛度分布明顯不對稱的結構，應計算雙向水平地震作用下的扭轉影響；其他情況，應計算單向水平地震作用下的扭轉影響。3高層建筑中的大跨度、長懸臂結構，7度（0.15g）、8度抗震設計時應計入豎向地震作用。

所以該項目不僅要考慮水平地震作用，對大跨懸臂梁還應考慮豎向地震作用。

3.3 撓度與裂縫的確定

型鋼混凝土組合結構技術規程4.2.8條：型鋼混凝土梁的最大撓度應按荷載的短期效應組合并考慮長期效應組合影響進行計算，其計算值不應大于8100×2/400=40.5mm。

型鋼混凝土組合結構技術規程4.2.9條：型鋼混凝土組合結構構件的最大裂縫寬度：室內正常環境不應大于0.3mm。

4.結構設計與分析

（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）抗震性能設計（表1）

（4）豎向地震作用：該大跨挑梁需考慮豎向地震作用，結構豎向地震作用效應標準值宜采用時程分析方法或振型分解反應譜方法進行計算。時程分析計算時輸入的地震加速度最大值可按規定的水平輸入最大值的65%采用，反應譜分析時結構豎向地震影響系數最大值可按水平地震影響系數最大值的65%采用，但設計地震分組可按第一組采用。

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

對兩種軟件的計算結果分別從以下4個方面進行分析比較：①設計彎矩包絡圖；②彎矩圖；③剪力圖；④配筋及鋼構件應力簡圖，通過分析比較，兩種軟件的計算結果互相驗證了分析結構的正確性，保證了該方案的結構安全、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力，極可能產生相對滑移，因而抗剪連接件成為型鋼混凝土組合梁充分發揮各材料性能的關鍵。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算

按《型鋼混凝土組合結構技術規程》（JGJ 138-2001）第5.2.2條驗算裂縫寬度，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組合影響的最大裂縫寬度ωmax為0.20mm，而規范規定的允許值[ω]為0.3mm，滿足規范要求。

按《型鋼混凝土組合結構技術規程》（JGJ 138-2001）第5.3.2條驗算撓度，該梁的縱向收拉鋼筋的配筋率ρ=0.95%時，在充分考慮荷載短期效應和長期效應組合作用下的最大撓度為38.1mm。懸挑梁受彎構件的最大撓度限值為，其中l0為懸挑梁構建的計算跨度，在使用過程中需要截取實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，滿足規范要求。

（8）有限元模型的建立、計算結果與分析

借助專業的有限元分析軟件ANSYS進行補充分析，并建立相應的有限元模型，在對網格進行劃分的過程中，可以采用三角形網格智能法進行劃分。其中要求混凝土的強度等級為C40，泊松比、彈性模量以及密度等相關參數都必須與混凝土結構設計規范相符。挑梁所承擔的荷載主要包含活載荷恒載兩部分，前者根據GB 50009-2001（建筑結構荷載規范）標準取值為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，依據荷載等效的原理，其能夠轉化為面荷載之后，再施加到擬建的模型上。通過對擬建模型的分析來充分了解文中大跨度懸挑梁的應力分布規律和豎向撓度。從參數可以看出，其最大撓度變形為38.5mm，位置在挑梁端部，滿足規范限值要求。

（9）實際配筋：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.施工中應注意的問題

因建筑工程懸挑梁結構十分復雜，且極易受到地理位置、外界環境的影響，為此要想確保工程建設的順利進行，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方面的問題：

第一，做好相應的施工準備，包含施工材料準備、機械設備以及人員組織等方面的準備。施工單位必須對施工準備工作予以高度重視，并做好技術交底。

第二，大跨度懸挑梁在工程施工中比較特殊，屬于超常規混凝土結構，其支撐部位的施工方案非常關鍵，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置相應的端柱進行聯系，因各個層面的支撐柱向懸挑梁端柱傳遞一定的壓力，導致底層懸挑梁受力較大，為此應加大懸挑梁配筋的設置，以便將構件裂縫控制在合理的范圍內。

第四，在對型鋼混凝土梁截面進行設計的過程中，需要滿足相關標準對邊距的具體要求，同時對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，從而實現對型鋼寬度的有效控制，且柱筋配置也符合區域內抗震等級的要求。

結語

總而言之，因大跨度懸挑梁在建筑工程中占據十分重要的位置，且施工工序非常復雜，所以要求超大懸挑梁設計必須符合相關的標準規范，有效提升懸挑梁結構的安全性與穩定性。同時，在施工過程中應嚴格依據相關操作標準進行，確保施工質量達到設計的要求。此外，還需要依據懸挑梁施工的具體情況，采取相應的加固措施，對其構件進行加固補強施工。在對結構受力計算的過程中，需要對各方面情況予以綜合考慮，而不是進行簡單的疊加計算。在工程檢測過程中，有效提升加固后懸挑梁構件的安全性和穩定性，還需要加大安全等級的設計，為工程施工的高質量打下堅實基礎。

參考文獻

[1]焉永強.關于懸挑梁設計幾個問題的思考[J].中小企業管理與科技（下旬刊），2016（3）：46.