合肥某工程大懸挑結構設計與優化

柯春明 范一江

華東建筑設計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，方興大道以西、望江西路以北，屬具備多項不規則的超限建筑。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計與優化，其整體效果圖詳圖1。

圖1

本工程北側大懸挑部分采用鋼桁架結構，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），樓蓋采用現澆混凝土板（大懸挑部分擬采用輕質混凝土組合樓板）。

2 懸挑形式的方案對比

本工程北側懸挑尺寸達16.6m，采取三種受力方案如下：

方案一，懸挑部分采用鋼桁架，每榀均滿設斜拉桿，懸挑根部柱間設置交叉斜撐，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，每榀僅設兩道斜拉桿，懸挑根部柱間設置單向斜撐，詳圖3；方案三，懸挑部分采用鋼桁架，每榀僅設兩道斜拉桿，懸挑根部柱根據恒+活受力情況設置單向斜撐（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

根據三種方案情況下的桁架軸力圖分析，方案一懸挑部分應力較小，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、二按拆除構件法復核連續倒塌性能，均未出現連續倒塌情況，綜合各種因素，結構方案最終采用了方案一[1]。

3 長懸挑鋼桁架補充分析

3.1 長懸挑整體傾覆分析

本工程為超長懸挑結構，端部最大懸挑長度為16.600m，且本工程樓板中間開大洞，從安全角度考慮，取懸挑部分及根部三跨進行局部抗傾覆分析。傾覆分析時，不考慮有利部分樓板處附加恒載及活載，僅考慮自身重量，傾覆點為最北側一排柱腳位置。傾覆分析計算時，僅取懸挑部分及根部3跨模型。

從計算得出，風荷載引起的傾覆力矩數值較小，此處為簡化分析，可不考慮。懸臂端傾覆主要考慮沿懸臂方向（Y方向）傾覆，根據傾覆力矩計算數值，與豎向荷載及豎向地震作用疊加即可判斷出柱頂內力情況。本工程傾覆點為懸挑根部最外排柱，為簡化計算考慮，將Y向地震傾覆力矩計入模型中考慮，懸挑最大尺寸為16.6m，假想豎向力輸入在懸挑最遠端，則豎向力為7.847E+005/16.6=47271KN。根據柱腳反力計算結果，可以看出，懸挑結構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，此計算結果作為樁基抗拔設計依據。

3.2 長懸挑受力補充分析

結構整體分析時，樓板按剛性假定；大懸挑構件計算配筋時，按斜桿單元模擬懸挑部分，樓板按彈性假定，樓板荷載及風荷載通過蒙皮倒入到周邊梁上。

懸挑部分配筋按中震彈性考慮，經計算，懸挑部分應力比較小，滿足規范要求。為進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程序對長懸挑做補充分析；從圖可以看出，懸挑根部柱軸向壓力值均很小，為安全起見，柱采用型鋼混凝土柱，且型鋼通長設置。從不顯示柱后的內力圖中可以看出，懸挑桁架在混凝土主體內頂層位置產生較大拉力，其他樓層處為軸壓力；設計時懸挑根部兩跨梁采用型鋼混凝土梁，縱筋通長設置，并嚴格控制裂縫的寬度，樓板適當加厚。

從彎矩圖看出，懸挑部分在內部第二跨梁產生較大彎矩，現柱及梁均為型鋼混凝土構件，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件，可承受較大剪力。主體桁架撓度僅為35.6mm,小于規范L/200=83mm要求,但考慮到使用要求，在桁架構件制作過程中，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雜，斜柱采用設置型鋼的混凝土柱，與斜柱相連的梁采用設置型鋼的混凝土梁，全部梁內拉力由型鋼承受。

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，經計算水平拉力T為1920KN，型鋼梁內型鋼截面為H700x250x16x25，抗拉強度值為295Mpa，型鋼拉力最大設計值為6798KN，拉力T遠小于型鋼最大設計拉力，能達到要求；下面拉梁型鋼截面與斜柱頂拉梁截面相同，同時軟件對拉梁按拉彎構件進行分析，為保障拉梁的安全性，斜柱及拉梁均按中震彈性要求設計[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，型鋼承擔全部拉力，東西向懸挑計算時不考慮樓板承擔拉力，僅由拉梁內型鋼承擔，且型鋼伸入內部一跨，鋼筋之間均為焊接，禁止搭接。為保證型鋼拉力傳遞，型鋼與柱之間加強焊接連接。

3.4 施工階段分析

本工程長懸挑部分為施工階段分析的關鍵，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），懸挑部分為鋼結構桁架，通過主體部分設置型鋼混凝土柱，與鋼桁架聯系，實際施工為型鋼混凝土帶部分懸臂梁段，通過懸臂梁段，與桁架焊接連接。本工程最長懸挑尺寸為16.600m，考慮懸臂梁段后尺寸約為15m，故考慮分部運輸，現場拼接后按單榀桁架一次吊裝，吊裝完成后鋪設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施工步驟，鋼桁架懸挑部分受力分析時在YJK軟件中采用空間結構建模，空間樓層被自動放到最后一個自然層，基本與實相符。施工過程中，應依據具體的施工方案，詳細進行施工驗算。

3.5 樓板應力分析

從前面計算可知，懸挑部分產生的拉力最大處為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施工，故壓型鋼板與普通混凝土樓板間連接較弱，設計時從主體樓面梁預留鋼筋，壓型鋼板混凝土施工時最后澆筑連接位置，以有效減少重力荷載產生的樓板拉應力。

大洞口周圍樓板應力選取YJK軟件分析，樓板按彈性板6定義。從中震時樓板應力分析得出，樓板應力在局部洞口周邊、柱頂處、頂層長懸挑附近樓板應力較大，但基本均未超過2ftk。

3.6 樓蓋舒適度驗算

根據《高規》3.7.7條，樓蓋結構應具有適宜的舒適度。樓蓋結構的豎向振動頻率不宜小于3HZ，豎向振動加速度峰值不應超過規范限值。樓蓋結構豎向振動加速度可按《高規》附錄A計算[2]。

本工程北側懸挑部分因采用鋼桁架方案，豎向剛度相對較大，豎向整體振動的頻率為2.77Hz,略小于3Hz。最大峰值加速度為0.041m/s2，計算達到規范要求[3]。

4 總結

綜上所述，在大懸挑設計中，充分利用概念設計方法，進行多方案對比，選擇合適的結構方案；除主樓超限計算分析外，運用SAP2000、YJK軟件補充局部懸挑梁應力、傾覆、樓板應力、防倒塌、舒適度、豎向地震等計算分析；數據表明，各項指標均達到規范的有關要求，對于計算分析中的薄弱部位及關鍵構件，均針對性加強，保證了結構安全度。本懸挑結構是可行、安全的。