怒江美麗公路綠道建設工程擋墻外側懸挑結構驗算（6m跨鋼結構）

施汝軍

（云南云嶺公大公路工程有限公司，云南 昆明 650220）

結合當前的建筑工程結構設計來看，懸挑結構以側向支撐為主，本身是梁板結構中的一部分，在實際的施工過程中必須要進行合理的驗算，確保相關參數符合施工標準，才能夠提升建筑的安全性和穩定性，因此建立在實際工程案例的基礎上，分析懸挑結構設計過程中的相關驗算內容以及驗算方法，不僅是本文論述的重點，也是進一步提升懸挑結構應用價值的重點課題。

1 建筑工程懸挑結構內容

從建筑專業角度來講，懸挑結構主要指的是利用拉索結構或者其他方法來實現建筑構件外延的一種方式。部分或者整體懸挑結構下沒有支撐物進行支撐，整體結構以側向受力為主，從主體結構上延伸出懸挑梁或者板結構，形成懸臂，其中有一部分澆筑在整體的建筑結構內，另一部分以伸出式的方式形成外懸式結構，通常應用在跨度較大的廠房，體育館，展覽館，高層建筑物或者橋梁等公共建筑物中，是當前建筑結構中不可或缺的重點，同時也是發揮建筑多樣化功能的重要結構，大部分的懸挑結構能夠提供遮雨、陽臺等功能。

2 懸挑結構驗算實際案例分析

怒江美麗公路綠道建設工程位于瀘水市魯掌鎮小沙壩服務區。該項目是G219線丙中洛至六庫公路改擴建工程（怒江美麗公路）的重要組成部分，全長285.56公里，全線按城鎮型和郊野型綠道標準建設。在結構設計過程中，針對工程擋墻外側利用了懸挑結構進行設計，從外觀上來看，不僅能起到結構優化的作用，也能夠成為整體工程的個性化工程。另外，建立在工程安全性和穩定性的基礎上，針對懸挑結構的設計必須要保持高度重視，嚴格落實相關受力情況和結構穩定性的驗算。才能夠為質量控制提供保證。

3 結構驗算流程

3.1 模型建立及荷載計算

根據圖紙建立6m跨鋼結構支承模型，采用MIDAS/CIVIL2019通用有限元分析軟件建模，模型共計72個節點，74個單元。包括斜撐、鋼橫梁、外側縱梁、內側縱梁以及平聯等結構采用梁單元模擬。斜撐與橫梁以及平聯與橫梁的的連接均采用共節點建立單元的方式模擬，橫梁錨固于擋墻的邊界條件通過各向均約束的一般支承的方式模擬，斜撐錨固于牛腿的邊界條件通過各向均約束的一般支承模擬。模型消隱圖以及邊界設置如圖1。

圖1 模型消隱圖

結構施加自重、橋面板荷載、鋪裝及護欄荷載以及人群荷載，其中除自重外，單跨6m鋼支撐所受的其余荷載均通過梁單元荷載的形式平均分配給兩根鋼橫梁。橋面板荷載根據其構造考慮三遍支撐以及兩邊支撐兩種情況，荷載計算如下：

q橋面板1=1.96×2.5×0.15×26/（1.96×2+2.5）=3.0kN

q橋面板2=1.96×2.5×0.15×26/（1.96×2）=4.9kN

q護欄=1kN/m

q鋪裝=1.2×2.5×6/（6×2+2.5×2）=1.06kN/m

q人=2.5×4×6/（6×2+2.5×2）=3.53kN/m

基本組合荷載取為：1.2×（自重+橋面板荷載+鋪裝和護欄+人群荷載）

3.2 鋼結構計算

針對整體懸挑結構的鋼結構進行應力計算主要分為以下幾點。首先需要進行應力計算，結合對整體懸挑結構應力云圖進行分析，我們可以發現應力峰值為-54MPa，主要出現在外側的縱梁跨中，整體結構處于安全范圍內。其次需要計算鋼橫梁的應力分布情況，經過對應力云圖進行分析之后，整體的鋼桁梁荷載組合最大應力為34.4MPa，最大位置在懸臂的根部，符合安全標準。

其次需要進行斜撐應力計算，荷載組合下的斜撐最大應力為-43.5MPa，應力水平較低，符合材料的使用需求。

另外平聯應力最大數值為18.9MPa，應力水平較低，滿足材料要求。外側縱梁應力最大數值為54MPa；內側縱梁應力最大值為-29.8MPa。皆滿足相關需求。

另外對整體鋼結構的變形情況進行了計算，4m跨鋼支撐最大行變為-4.8mm，且主要出現在外側縱梁的跨中位置變形，參數較小。

彈性穩定特征值分析采用自重不變+人群荷載可變，得到結構一階屈曲模態為外側橫梁的橫向彎曲變形，特征值為19，滿足工程一般要求λ≥4。

斜撐截面為100×6mm的方形鋼管，彎矩作用在對稱軸平面內的實腹式壓彎構件，彎矩作用平面內穩定性按照《鋼結構設計標準》（GB50017-2017）8.2.1-1條驗算。

彎矩作用平面內的整體穩定性應按下列公式計算：

3.3 擋土墻穩定性計算

擋土墻的傾覆穩定系數定義為抗傾覆力矩/傾覆力矩，實際的計算方式需要考慮到擋土墻的自重、墻后土壓力以及懸挑結構的力臂參數，考慮到擋土墻類型眾多，本項目選取高度最低和最高的兩者進行計算。

針對高度最低的擋土墻進行計算，

自重：G=4.54×6×26=708.24kN

抗傾覆力矩=708.24×1.5+90.8×0.5=1107.76kNm；

傾覆力矩=38.25×1+82×3=284.25kNm；

抗傾覆穩定系數=1107.76/284.25=3.9>1.6。

因此，3m的擋土墻其抗傾覆穩定性滿足要求。

針對高度最大的擋土墻穩定性進行計算時：

自重：G=72.61×6×26=11327.16kN；

抗傾覆力矩=11327.16×4+90.8×9.5=46170kNm；

傾覆力矩=612×4+82×12=3432kNm；

抗傾覆穩定系數=46170/3432=13.5>1.6。

因此，12m的擋土墻其抗傾覆穩定性滿足要求。

本工程中采用簡化計算方法，計算過程偏保守，沒有考慮衡重式擋土墻特殊構造對傾覆穩定性的正向影響，同時墻后填土重度按17kN/m3考慮，從計算結果看擋土墻的抗傾覆穩定性是安全的。

3.4 錨桿錨固長度計算

本工程中針對錨桿的計算，需要結合非預應力錨桿的計算方法進行綜合分析，并且建立在錨桿和砂漿界面以及砂漿與巖層界面之間的質量控制角度進行考慮，因此普通中空錨桿以及錨固端抗拔承載力需要利用下述公式進行計算：

式中：Nd：錨桿或單元錨桿軸向拉力設計值（N）；La：鋪固段長度（m）；fmg：錨固段注漿體與地層間極限粘結強度標準值（MPa或kPa），應通過試驗確定，當無試驗資料時，可按表4.6.10取值；：錨固段注漿體與筋體間粘結強度設計值（MPa），可按本規范表4.6.12取值；D：錨桿錨固段鉆孔直徑（mm）；d：鋼筋或鋼絞線直徑（mm）；K：錨桿段注漿體與地層間的粘結抗拔安全系數，按本規范表4.6.11取值；ξ：采用2根或2根以上鋼筋或鋼絞線時，界面粘結強度降低系數，取0.70～0.85；ψ：錨固段長度對極限粘結強度的影響系數，可按本規范表4.6.13選?。籲：鋼筋或鋼絞線根數。

相關系數如下：由于錨桿的錨固段包含C20混凝土以及土層兩段，C20混凝土按軟巖考慮，土層按堅硬黏性土考慮，根據表4.6.10取注漿體與周邊地層的極限粘結強度為：前者為0.6，后者為0.12；注漿體與地層間的抗拔安全系數為2.2；注漿體與桿體之間的粘結強度設計值取為1.0；錨固段長度對強度的影響系數與錨桿長度有關，影響系數取為1.0；錨桿穿過擋土墻的長度取較小值0.6m，則穿過土層的長度為（L-0.6）m；荷載組合下單個衡量錨固端的拉力需要結合設計圖紙進行分析，由于6m的懸挑拉力，大于4m的懸挑拉力，因此需要利用6m懸挑反力進行計算，恒載荷載系數取1.2，活載荷載系數為1.4。其拉力計算公式為：

1.2G＋1.4F活＝1.2×34.73+1.4×20.58＝70.5kN

另外還需要考慮錨桿數量以及錨固端的組合搭配方式，本工程中涉及到了單個錨固端設置兩根錨桿的形式，單根錨桿所承受的拉力為35.25kN，那么注漿體與巖層之間的強度計算公式為：

注漿體和桿體之間的強度計算公式為：

利用上述公式進行參數帶入，計算結果表示，當在一個錨固端設置兩根錨桿的情況下，錨桿的錨固長度需要≥4.3m。

其次涉及到了一個錨固端設置4個錨桿的情況，這時單根錨桿所承受的拉力為17.6kN，那么注漿體與巖層間的強度計算為：帶入上述公式和參數之后結果為L≥0.8m，注漿體與錨桿體之間的強度，結果為L≥0.25m。

因此在一個錨固端設置4個錨桿的形式下，錨桿的錨固長度應該大于等于0.8m，同時實際的規范中針對中空錨桿的長度參數限制為不小于3m，需要將錨固的長度設置為3m。

4 結束語

綜上所述，懸挑結構的應用不僅能夠增強建筑的視覺沖擊力，也能夠優化建筑外部結構設計質量，但是由于懸挑結構本身的結構特點限制，在設計過程中必須要落實結構參數的計算和優化，綜合核載力、擋土墻穩定性、鋼結構支撐力以及錨桿錨固長度進行分析，加強驗算的精準性，才能夠真正實現對懸挑結構質量的控制。