周华元
湛江市元创建设工程顾问有限公司
摘要：文章通过对某工程大悬挑结构选型和材料选用的对比分析，说明采用型钢混凝土梁柱结构并结合一些相应的构造措施，可以较好地解决大悬挑的结构设计问题。
关键词：结构设计;大悬挑结构;型钢混凝土
1工程概况
某工程地上6层，半地下室，总高度23．8 m，建筑面积11 000 m2。建筑平面像一个风车形，使用功能较多，除教室、办公室外，还有声学实验室、14．0 m跨度阶梯教室和素描室等。建筑物主入口处是局部悬挑9 m的合班教室和办公用房，该工程结构设计安全等级二级，抗震设防烈度为七度，基本地震加速度为0．10 g，抗震设防类别为丙类，设计地震分组为第一组。场地土地类别为Ⅲ类，基本风压为0．70kPa，地面粗糙度为B类。
2结构体系选择
该建筑物平面上由3个比较规整的方形块组成，布局较为复杂，但各方形块相对规整，功能也相对单一，且建筑物的层数仅6层，因此选择框架结构，其柱网尺寸可以根据建筑功能和经济安全确定。为避免分块交接处受力的复杂，各交接处均设置变形缝将其分开使分块间传力明确。由于南向主出入口方块总长仅40多m，而入口处结构的悬挑跨度达到9 m，而且该建筑内部功能要求为大空间布局，不允许在内部设置柱子，因此整个悬挑部分的安全重任就落在了两榀沿外墙的框架上，因而此部分的结构布置和选型必须格外慎重，除此之外，该工程结构选型上并无多大的难度。要实现大悬挑可以将南入口分区全部采用钢结构，其重量轻，抗弯刚度大，但建筑风格和其它两块难以协调，作为教学综合楼也不太合适。经协调对比分析，选择以型钢混凝土框架结构加井字楼盖作为该分区的承重结构方案。
3几种悬挑处理方案的对比分析
在大悬挑体系中有许多技术手段可以应用，比如加腋梁、深梁、桁架、预应力、斜拉索、斜压杆，理论上该工程可采用以下3种方法同时结合以上所提及的一些措施实现建筑物的大悬挑。
3．1普通钢筋混凝土悬挑梁结构该悬挑结构采用普通钢筋混凝土结构也可实现悬挑9 m的要求，查找相关设计手册挑梁截面高度应控制在1/6～1/8悬挑跨度范围内，则梁高达1 100～1 500 mm，挑梁的位移较大。此法受室内空间布局的影响，两榀中间框架大悬挑梁的上下层之间不允许设置斜杆，而从受力来说，中部框架挑梁的负荷面积最大，其受力和变形也最大。
因此是一个非常重要的杆件。位于两侧外墙上的挑梁虽然可以通过建筑立面处理，在不影响建筑物内部空间的前提下，在挑梁上下层间设置斜杆，将其结构形式改变为桁架式悬挑结构，然而两榀框架间毕竟相距近15 m，如果完全依赖外墙上的两榀框架来承担外挑楼层上的全部荷载，必须大大加强悬挑处梁板的的刚度，同时还要冒梁板开裂的风险。采用普通钢筋混凝土结构的优点是设计简单、施工方便。考虑到混凝土结构的徐变以及建筑物所处位置的重要性，经比较未被采用。
3．2预应力钢筋混凝土悬挑梁结构采用预应力钢筋混凝土悬挑梁结构，虽能充分发挥钢筋和混凝土各自的特性，提高钢筋混凝土构件的刚度、抗裂性和耐久性，有效利用高强度钢筋和高强度等级混凝土的作用，但在同样条件下与普通混凝土相比并不能提高其截面的抗弯承载力。而且，预应力混凝土施工需要专门的机械设备，工艺比较复杂，操作要求较高，该工程悬挑处距地面高度近10 m，要在悬挑处实施预应力施工有一定的困难。且悬挑梁要解决的问题主要是根部受力问题，而预应力一般是解决梁跨中的拉应力问题，考虑到工程量小和竖向地震作用的受力方向的不确定性等因素，在经济与安全两个方面权衡比较后，决定采用型钢混凝土悬挑梁结构。
3．3型钢混凝土悬挑梁结构
由于悬挑结构部分的悬挑长度达到9 m，且悬挑荷载必须由四榀框架来承担，如采用普通钢筋混凝土梁，则当因施工及使用上的各种不利因素对挑梁的承载力和正常使用极限状态出现不安全的隐患时，会导致无法挽救的后果，且抗震性能不好。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆为了控制构件的截面尺寸并满足其弹性变形要求，根据该工程实际情况，选用型钢混凝土作为悬挑结构的梁，部分框架柱也选用型钢混凝土，楼板采用现浇混凝土楼板。为了减少中间两榀框架的负担，增加了楼板的刚度，从而使端部两榀框架能更好地发挥作用。虽然造价略高，但通过以上措施大大提高悬挑结构的抗弯刚度和抗震性能。此外，为了更好地承受悬挑部分重力荷载产生的倾覆力矩，在悬挑部分增设型钢混凝土斜撑，将倾覆力矩传递到非悬挑处的型钢混凝土柱上，在型钢混凝土柱相应的部位增设型钢混凝土斜支撑，使非悬挑处的梁柱能更有效地抵抗悬挑结构的倾覆力矩，做到整体受力，同时可大大提高建筑物抵抗水平和竖向地震力的能力。
由于地震时，地面运动的竖向分量引起建筑物产生竖向振动。震害调查表明，在高烈度区竖向地震的影响十分明显。因此我国抗震规范规定，8度和9度区的大跨度结构、长悬臂结构，以及9度区的高层建筑，应计算竖向地震作用。该工程悬挑部分达9 m，设防烈度为7度，根据规范应进行竖向地震分析。设计时中间框架挑梁截面选用400 mm×800 mm，边框架挑梁框截面选用800 mm×800 mm，架柱截面选用800 mm×800mm，考虑到结构的重要性，设计时分别按PKPM结构设计软件的空间分析和平面框架对结构梁柱构件进行了计算，计算结果表明均满足结构设计规范的受力和变形要求，两种方法的计算结果误差较大。
4设计中相应的一些构造措施
4．1节点设计
大于40 mm的钢板，其X、Y、Z三个方向的力学性能存在有一定的差异性，尤以Z向的性能最差。当焊接及承受厚度方向拉力作用时容易引起层状撕裂。另外较厚的钢板在焊接前还应预加热，施工工序也很麻烦。考虑到上述因素，本工程不选用大于40 mm厚的钢板，对容易发生撕裂破坏的部位置在节点设计时采取适当的加强措施。如挑梁顶部支座节点增加受拉钢筋，并在满足使用要求的前提下，局部适当加大梁高度，在悬挑梁端部设置端柱使上下挑梁协同工作，从而使各层挑梁根部受力和变形更加均衡，悬挑结构的整体性得到较大的改善。
4．2钢筋骨架与型钢梁的组合连接方面为了更好地保证钢筋混凝土与型钢之间的传力要求，工程还采取了一些相应的构造措施，主要有:①在型钢混凝土梁的型钢根部翼缘上设置栓钉;②为方便施工时浇筑混凝土，型钢混凝土梁和混凝土柱纵筋间距尽量加大，最大程度地避免柱纵筋穿过型钢，当无法避免时，要求工厂预留柱纵筋孔;③为减少梁、柱纵筋的搭接，型钢混凝土梁和柱纵筋全部采用机械连接和焊接，钢筋接头位置与梁、柱等连接节点错开;④根据需要局部楼板双层双向配筋;⑤型钢腹板开孔实现钢筋骨架中侧向钢筋的拉结，确保混凝土与型钢的协同工作。采用普通钢筋混凝土悬挑梁结构虽然也能实现结构的大悬挑，但考虑到支撑悬挑部分荷载的主要两榀带斜撑框架，在极端情况下任何一榀失效后，在重力荷载作用下，均会发生大悬挑结构的倒塌，因此为确保悬挑结构的绝对安全，选择型钢混凝土作为框架梁柱的结构形式是合理的。虽然采用型钢混凝土结构造价上略高于普通钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土结构，但对本工程来说因建筑物体量小，增加的费用很少，然而却解决了施工上的难度，并大大提高了结构的安全度和延性，其性价比较高。
结语
随着经济的发展、新材料、新技术的不断出现，人们对建筑物的美观和功能要求越来越高，各种平面和立面不规则的建筑物越来越多，给结构设计工程师们提出了许多新的问题，对新材料及新结构形式的科学应用提出了更高的要求，以满足建筑师们的奇思妙想。在这些标新立异建筑中，大悬挑结构经常被采用。悬挑梁在整个结构体系中具有特殊性，一旦出现质量问题，将对整幢建筑物构成极大的安全隐患。另外，悬挑结构常常处于室外，要经受雨水和二氧化碳等的直接侵蚀，其所受荷载也存在一定的不确定性，所以一旦出现裂缝，极有可能进一步扩大，严重危及建筑物的安全。因此，悬挑结构设计受力的合理性、设计安全储备的控制、施工质量的把握对建筑物的安全都很重要。
参考文献
［1］中华人民共和国建设部．GB 50010—2002混凝上结构设计规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002．
［2］中华人民共和国建设部．JGJ 138—2001/J 130—2001型钢混凝土组合结构技术规程［S］．北京:中国建筑工业出版社，2002．
论文作者:周华元
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/29
标签：结构论文; 型钢论文; 混凝土论文; 建筑物论文; 框架论文; 钢筋论文; 钢筋混凝土论文; 《防护工程》2018年第15期论文;