鋼桁架在大懸挑大跨度結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與分析

孫 峣，李建軍，孟祥良（天津大學(xué)建筑設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司， 天津 300000）

1 工程概況

本工程為四川省某新建旅游服務(wù)綜合體項(xiàng)目，分為高層和裙房部分，地上總建筑面積為 4.4 萬 m2。高層部分為酒店和商務(wù)辦公，分別為 11 層和 9 層，建筑高度為 46.5 m 和 47.9 m，采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)；裙房部分為酒店配套和游客服務(wù)中心，地上 4 層，建筑高度為 21.3 m，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。

根據(jù)建筑方案，裙房的出屋面兩側(cè)造型為懸挑結(jié)構(gòu)，懸挑長度為 15.7 m，寬度為 33.6 m；裙房首層的入口大廳處設(shè)置大跨度懸挑雨蓬，最大跨度為 21.45 m，懸挑長度為 5.5 m，如圖 1 所示。結(jié)合建筑造型和主體結(jié)構(gòu)布置，本工程在上述兩處位置分別采用了平面鋼桁架和空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)。本文對(duì)該結(jié)構(gòu)方案和節(jié)點(diǎn)做法進(jìn)行了詳細(xì)闡述，為以后同類型的大跨度大懸挑方案提供設(shè)計(jì)思路和方法。

圖1 旅游服務(wù)綜合體立面圖

2 出屋面懸挑結(jié)構(gòu)

裙房出屋面的兩側(cè)造型為懸挑結(jié)構(gòu)，造型高度為 6.0 m，懸挑長度為 15.7 m，寬度為 33.6 m，本處結(jié)合建筑造型可采用懸挑桁架方案[1]。當(dāng)采用混凝土桁架[2]，其優(yōu)點(diǎn)為耐久性好，缺點(diǎn)為自重較大、桁架桿件支模困難，懸挑部分的支撐模板須待混凝土強(qiáng)度達(dá)到 100% 時(shí)方可拆除，影響屋面其他位置的施工進(jìn)度，且外包鋁板幕墻需設(shè)置較多預(yù)埋件，施工不方便。鋼結(jié)構(gòu)桁架[3]的優(yōu)點(diǎn)為自重較小、吊裝方便、幕墻龍骨連接簡(jiǎn)單、施工進(jìn)度快，缺點(diǎn)為耐久性較差。考慮到此處無建筑使用功能及施工進(jìn)度要求，本工程選用平面鋼桁架方案。桁架結(jié)構(gòu)平面圖如圖 2 所示。

圖2 出屋面懸挑鋼桁架平面圖

結(jié)合下層混凝土框架的柱網(wǎng)布置，出屋面兩側(cè)各設(shè)置五榀鋼桁架，桁架間距為 8.4 m，單榀鋼桁架詳圖如圖 3 所示。結(jié)合建筑造型要求，桁架懸挑部分的根部高度為 4.7 m，端部高度降至 1.5 m，上弦桿、端部斜腹桿截面為 H300 mm×300 mm×8 mm×18 mm，下弦桿截面為 H300 mm×350 mm×8 mm×18 mm，腹桿截面分別為 □250 mm×250 mm×10 mm、□150 mm×150 mm× 6 mm，桁架上下弦桿節(jié)點(diǎn)處設(shè)置面外水平系桿，截面為 H300 mm×300 mm×8 mm×14 mm，邊跨兩榀桁架之間設(shè)置上下弦水平支撐和垂直支撐，支撐均為交叉等邊角鋼 L110 mm×8 mm。鋼材等級(jí)為 Q235B。桁架腹桿與弦桿采用焊接連接，水平系桿與弦桿采用栓焊連接，水平支撐與弦桿采用螺栓連接。鋼桁架采用下弦支撐形式，主體混凝土框架柱伸出屋面高度 1.15 m，柱頂設(shè)置預(yù)埋錨栓與桁架下弦節(jié)點(diǎn)相連。

圖3 懸挑鋼桁架詳圖

桁架上、下弦桿的恒荷載為 1.0 kN/m2，上弦桿的活荷載為 0.5 kN/m2，上、下弦桿及端部斜腹桿的風(fēng)荷載為 0.5 kN/m2。桁架結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，將上述面荷載按桁架間距換算為線荷載。對(duì)于懸挑結(jié)構(gòu)，內(nèi)跨的恒、活荷載為有利荷載，因此在計(jì)算時(shí)，設(shè)置考慮內(nèi)跨荷載和不考慮內(nèi)跨荷載兩個(gè)工況，對(duì)桿件和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。桁架采用 3D3S 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算，經(jīng)計(jì)算，桁架各桿件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、長細(xì)比均滿足規(guī)范[4]要求，桿件最大應(yīng)力比為 0.75，為支座處的上弦桿，受壓支座的反力為 1250 kN，受拉支座的反力為 485 kN，桁架端部最大撓度為 26.2 mm（相對(duì)撓度 1/1198），滿足規(guī)范要求的 1/400。

由于桁架的懸挑長度 15.7 m 大于內(nèi)跨長度 8.4 m，導(dǎo)致內(nèi)跨支座處的拉力較大，經(jīng)計(jì)算，受拉支座處的需設(shè)置 4 根 M42 預(yù)埋錨栓，同時(shí)應(yīng)對(duì)框架柱進(jìn)行受拉承載力復(fù)核。為了減小支座拉力和腹桿內(nèi)力，結(jié)合建筑方案立面，將?軸的框架柱伸出屋面至桁架上弦標(biāo)高處，桁架上、下弦桿均向內(nèi)延伸至混凝土柱處，從而增大了內(nèi)跨長度，減小桿件內(nèi)力。經(jīng)內(nèi)力分析對(duì)比，受拉支座處反力由 485 kN 減小至 124 kN，相連腹桿拉力由 713 kN 減小至 507 kN。

3 入口處大跨度懸挑雨蓬

裙房首層的入口大廳處設(shè)置懸挑雨蓬，雨蓬正立面為倒梯形，側(cè)立面為矩形，高度為 4.8 m，下皮標(biāo)高為一層頂標(biāo)高，入口大廳的一層頂結(jié)構(gòu)平面布置如圖 4 所示。

圖4 裙房入口大廳一層頂結(jié)構(gòu)平面圖

由圖 4 可知，雨蓬平面范圍為④～⑧軸，懸挑長度為 5.45 m，寬度為 35.85 m。主體結(jié)構(gòu)在④～⑦軸范圍內(nèi)為 2 層通高，⑤、⑥ 軸處的兩個(gè)框架柱為躍層柱，柱高 11.6 m。當(dāng)雨蓬以躍層柱作為支座時(shí)，會(huì)在柱高5.80 m處產(chǎn)生水平推力，由于柱中內(nèi)側(cè)沒有混凝土樓板的約束，無法平衡雨蓬的水平推力，受力不合理。因此，僅在 ④、⑦、⑧ 軸的 3 個(gè)框架柱上設(shè)置雨蓬支座，在 ④～⑦ 軸間雨蓬結(jié)構(gòu)為 21.45 m 的大跨度結(jié)構(gòu)。由于結(jié)構(gòu)中同時(shí)存在大懸挑和大跨度兩種情況，結(jié)合建筑造型，本工程的大跨度懸挑雨蓬采用空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)[5-6]。桁架平面布置如圖 5 所示。

由圖 5 可知，在 ④、⑦、⑧ 軸處的框架柱上設(shè)置三榀懸挑桁架 HJ-1，桁架高度為 3.1 m，懸挑長度為 5.45 m，桁架上、下弦桿均與框架柱連接，截面為φ299 mm×12 mm，腹桿截面為φ180 mm×10 mm；同時(shí)在懸挑桁架的端部和根部分別設(shè)置兩榀面外桁架 HJ-2 和 HJ-3，桁架為兩跨，跨度分別為 21.45 m、8.4 m，左右兩端出挑長度為 3.0 m。桁架 HJ-2、HJ-3 高度同 HJ-1，上、下弦桿截面為φ245 mm×12 mm，分別支撐于 HJ-1的上、下弦桿節(jié)點(diǎn)處，腹桿截面為φ140 mm×6 mm。兩榀桁架在上、下弦處均設(shè)置面外水平支撐，支撐截面為φ121 mm×5 mm（非交叉）。由三榀懸挑桁架、兩榀大跨度桁架形成一個(gè)空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)，桁架的各桿件之間均采用相貫連接。鋼材等級(jí)為 Q235B。

圖5 空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)圖

雨蓬結(jié)構(gòu)所受荷載同出屋面的懸挑桁架，經(jīng)計(jì)算，桁架各桿件的強(qiáng)度、穩(wěn)定性、長細(xì)比均滿足規(guī)范要求。桿件最大應(yīng)力比為 0.71，為懸挑桁架 HJ-1 的根部豎腹桿。桁架 HJ-1 上弦支座的水平拉力為 527 kN，下弦支座的水平壓力為 524 kN，支座豎向剪力為 577 kN。桁架 HJ-1端部最大撓度為 8.2 mm（相對(duì)撓度為 1/1341），桁架HJ-3的跨中最大撓度為 15.3 mm（相對(duì)撓度為 1/1395），均滿足規(guī)范要求 1/400。

由計(jì)算結(jié)果可知，懸挑桁架 HJ-1的上、下弦桿與豎腹桿的相交節(jié)點(diǎn)處存在水平力和豎向力。由于根部豎腹桿的實(shí)際位置距離柱邊支座處的水平長度為 300 mm（圖5），使得節(jié)點(diǎn)處的豎向力需通過此段水平弦桿傳至支座處，截面受到較大的剪力。這與桁架桿件只承受軸力的設(shè)計(jì)思想不一致。同時(shí)，該豎向力在支座處產(chǎn)生了附加彎矩，不利于支座受力。此時(shí)，可在支座處的水平弦桿上設(shè)置豎向加勁肋，提高弦桿的抗剪承載力和支座抗彎承載力。本工程采用了在框架柱上設(shè)置混凝土牛腿（圖 6）的方案，將桁架節(jié)點(diǎn)處的豎向力直接通過豎向支座傳至牛腿上，桁架上、下弦桿的水平支座僅承受水平力，從而簡(jiǎn)化了桁架桿件和支座的受力，提高了結(jié)構(gòu)的安全度。同時(shí)，混凝土牛腿可作為施工期間鋼結(jié)構(gòu)吊裝的支撐點(diǎn)，降低了施工操作難度，提高了安裝精度。

圖6 桁架下弦受壓支座詳圖

懸挑桁架 HJ-1 的上、下弦水平支座分別為受拉、受壓支座。對(duì)于受壓支座，可按照常規(guī)做法，即在混凝土柱內(nèi)設(shè)置預(yù)埋鋼板、桁架弦桿與預(yù)埋板焊接。對(duì)于受拉支座，若仍按照受壓支座的做法，則整個(gè)結(jié)構(gòu)全部依賴于支座預(yù)埋板的抗拉承載力（即預(yù)埋錨筋的抗拉承載力）和上弦桿根部的焊縫抗拉承載力，結(jié)構(gòu)安全性較低。本工程將預(yù)埋鋼板換為預(yù)埋鋼構(gòu)件（圖 7），鋼構(gòu)件截面為“十字”，長度為 500 mm，其中埋入柱中 350 mm，并在端部設(shè)置端板來增強(qiáng)預(yù)埋件的錨固作用，預(yù)埋件伸出柱外長度 150 mm，與切口后的鋼管壁滿焊，同時(shí)柱表面設(shè)置豎向預(yù)埋板與弦桿端部焊接。此做法不僅提高了預(yù)埋件的抗拉承載力，也增大了桁架弦桿與預(yù)埋件的焊接面積，從而大大提升了抗拉支座的安全性。同時(shí)，在受拉支座所在標(biāo)高的框架柱內(nèi)側(cè)設(shè)置層間框架梁，以平衡桁架支座的水平拉力。

圖7 桁架上弦受拉支座詳圖

4 結(jié)語

本文以四川省某新建旅游服務(wù)綜合體項(xiàng)目為例，針對(duì)于該項(xiàng)目的出屋面大懸挑結(jié)構(gòu)和首層大跨度懸挑雨蓬，分別采用了平面鋼桁架和空間鋼管桁架結(jié)構(gòu)，并對(duì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了方案對(duì)比和做法優(yōu)化。主要結(jié)論如下。

（1）出屋面的大懸挑結(jié)構(gòu)采用平面鋼桁架、系桿、支撐體系，桁架承載力、穩(wěn)定性、剛度均滿足規(guī)范要求。為減小受拉支座反力和邊腹桿內(nèi)力，可延長桁架內(nèi)跨長度。

（2）首層雨蓬采用空間鋼管桁架形式，可同時(shí)解決大懸挑和大跨度問題，桁架承載力、穩(wěn)定性、剛度均滿足規(guī)范要求。

（3）在雨蓬懸挑桁架下弦桿的根部設(shè)置混凝土牛腿，將桁架節(jié)點(diǎn)處的豎向力通過支座直接傳至牛腿上，簡(jiǎn)化了桁架弦桿和柱側(cè)水平支座的受力，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。

（4）對(duì)于雨蓬懸挑桁架上弦桿受拉支座，將常規(guī)預(yù)埋板做法改為預(yù)埋鋼構(gòu)件，不僅提高預(yù)埋件的抗拉承載力，也增大了桁架弦桿與預(yù)埋件的焊接面積，從而提升了桁架受拉支座的安全性。