某綜合大樓大懸挑建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某綜合大樓大懸挑建筑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要：文章通過(guò)對(duì)某工程大懸挑結(jié)構(gòu)選型和材料選用的對(duì)比分析，說(shuō)明采用型鋼混凝土梁柱結(jié)構(gòu)并結(jié)合一些相應(yīng)的構(gòu)造措施，可以較好地解決大懸挑的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);大懸挑結(jié)構(gòu);型鋼混凝土1工程概況某工程地上6層，半地下室，總高度23.8m,建筑面積11000m2。建筑平面像一個(gè)風(fēng)車形，使用功能較多，除教室、辦公室外，還有聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室、14.0m跨度階梯教室和素描室等。建筑物主入口處是局部懸挑9m的合班教室和辦公用房，該工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全等級(jí)二級(jí)，抗震設(shè)防烈度為七度，基本地震加速度為0.10g，抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。場(chǎng)地土地類別為III類，基本風(fēng)壓為0.70kPa，地面粗糙度為B類。2結(jié)構(gòu)體系選擇該建筑物平面上由3個(gè)比較規(guī)整的方形塊組成，布局較為復(fù)雜，但各方形塊相對(duì)規(guī)整，功能也相對(duì)單一，且建筑物的層數(shù)僅6層，因此選擇框架結(jié)構(gòu)，其柱網(wǎng)尺寸可以根據(jù)建筑功能和經(jīng)濟(jì)安全確定。為避免分塊交接處受力的復(fù)雜，各交接處均設(shè)置變形縫將其分開使分塊間傳力明確。由于南向主出入口方塊總長(zhǎng)僅40多m,而入口處結(jié)構(gòu)的懸挑跨度達(dá)到9m，而且該建筑內(nèi)部功能要求為大空間布局，不允許在內(nèi)部設(shè)置柱子，因此整個(gè)懸挑部分的安全重任就落在了兩棉沿外墻的框架上，因而此部分的結(jié)構(gòu)布置和選型必須格外慎重，除此之外，該工程結(jié)構(gòu)選型上并無(wú)多大的難度。要實(shí)現(xiàn)大懸挑可以將南入口分區(qū)全部采用鋼結(jié)構(gòu)，其重量輕，抗彎剛度大，但建筑風(fēng)格和其它兩塊難以協(xié)調(diào)，作為教學(xué)綜合樓也不太合適。經(jīng)協(xié)調(diào)對(duì)比分析，選擇以型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)加井字樓蓋作為該分區(qū)的承重結(jié)構(gòu)方案。3幾種懸挑處理方案的對(duì)比分析在大懸挑體系中有許多技術(shù)手段可以應(yīng)用，比如加腋梁、深梁、桁架、預(yù)應(yīng)力、斜拉索、斜壓桿，理論上該工程可采用以下3種方法同時(shí)結(jié)合以上所提及的一些措施實(shí)現(xiàn)建筑物的大懸挑。1普通鋼筋混凝土懸挑梁結(jié)構(gòu)該懸挑結(jié)構(gòu)采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)也可實(shí)現(xiàn)懸挑9m的要求，查找相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)挑梁截面高度應(yīng)控制在1/6?1/8懸挑跨度范圍內(nèi)，則梁高達(dá)1100?1500mm，挑梁的位移較大。此法受室內(nèi)空間布局的影響，兩棉中間框架大懸挑梁的上下層之間不允許設(shè)置斜桿，而從受力來(lái)說(shuō)，中部框架挑梁的負(fù)荷面積最大，其受力和變形也最大。因此是一個(gè)非常重要的桿件。位于兩側(cè)外墻上的挑梁雖然可以通過(guò)建筑立面處理，在不影響建筑物內(nèi)部空間的前提下，在挑梁上下層間設(shè)置斜桿，將其結(jié)構(gòu)形式改變?yōu)殍旒苁綉姨艚Y(jié)構(gòu)，然而兩棉框架間畢竟相距近15m，如果完全依賴外墻上的兩棉框架來(lái)承擔(dān)外挑樓層上的全部荷載，必須大大加強(qiáng)懸挑處梁板的的剛度，同時(shí)還要冒梁板開裂的風(fēng)險(xiǎn)。采用普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、施工方便?？紤]到混凝土結(jié)構(gòu)的徐變以及建筑物所處位置的重要性，經(jīng)比較未被采用。2預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土懸挑梁結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土懸挑梁結(jié)構(gòu)，雖能充分發(fā)揮鋼筋和混凝土各自的特性，提高鋼筋混凝土構(gòu)件的剛度、抗裂性和耐久性，有效利用高強(qiáng)度鋼筋和高強(qiáng)度等級(jí)混凝土的作用，但在同樣條件下與普通混凝土相比并不能提高其截面的抗彎承載力。而且，預(yù)應(yīng)力混凝土施工需要專門的機(jī)械設(shè)備，工藝比較復(fù)雜，操作要求較高，該工程懸挑處距地面高度近10m，要在懸挑處實(shí)施預(yù)應(yīng)力施工有一定的困難。且懸挑梁要解決的問(wèn)題主要是根部受力問(wèn)題，而預(yù)應(yīng)力一般是解決梁跨中的拉應(yīng)力問(wèn)題，考慮到工程量小和豎向地震作用的受力方向的不確定性等因素，在經(jīng)濟(jì)與安全兩個(gè)方面權(quán)衡比較后，決定采用型鋼混凝土懸挑梁結(jié)構(gòu)。3型鋼混凝土懸挑梁結(jié)構(gòu)由于懸挑結(jié)構(gòu)部分的懸挑長(zhǎng)度達(dá)到9m，且懸挑荷載必須由四棉框架來(lái)承擔(dān)，如采用普通鋼筋混凝土梁，則當(dāng)因施工及使用上的各種不利因素對(duì)挑梁的承載力和正常使用極限狀態(tài)出現(xiàn)不安全的隱患時(shí)，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法挽救的后果，且抗震性能不好。為了控制構(gòu)件的截面尺寸并滿足其彈性變形要求，根據(jù)該工程實(shí)際情況，選用型鋼混凝土作為懸挑結(jié)構(gòu)的梁，部分框架柱也選用型鋼混凝土，樓板采用現(xiàn)澆混凝土樓板。為了減少中間兩棉框架的負(fù)擔(dān)，增加了樓板的剛度，從而使端部?jī)擅蘅蚣苣芨玫匕l(fā)揮作用。雖然造價(jià)略高，但通過(guò)以上措施大大提高懸挑結(jié)構(gòu)的抗彎剛度和抗震性能。此外，為了更好地承受懸挑部分重力荷載產(chǎn)生的傾覆力矩，在懸挑部分增設(shè)型鋼混凝土斜撐，將傾覆力矩傳遞到非懸挑處的型鋼混凝土柱上，在型鋼混凝土柱相應(yīng)的部位增設(shè)型鋼混凝土斜支撐，使非懸挑處的梁柱能更有效地抵抗懸挑結(jié)構(gòu)的傾覆力矩，做到整體受力，同時(shí)可大大提高建筑物抵抗水平和豎向地震力的能力。由于地震時(shí)，地面運(yùn)動(dòng)的豎向分量引起建筑物產(chǎn)生豎向振動(dòng)。震害調(diào)查表明，在高烈度區(qū)豎向地震的影響十分明顯。因此我國(guó)抗震規(guī)范規(guī)定，8度和9度區(qū)的大跨度結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)懸臂結(jié)構(gòu)，以及9度區(qū)的高層建筑，應(yīng)計(jì)算豎向地震作用。該工程懸挑部分達(dá)9m，設(shè)防烈度為7度，根據(jù)規(guī)范應(yīng)進(jìn)行豎向地震分析。設(shè)計(jì)時(shí)中間框架挑梁截面選用400mmx800mm，邊框架挑梁框截面選用800mmx800mm，架柱截面選用800mmx800mm，考慮到結(jié)構(gòu)的重要性，設(shè)計(jì)時(shí)分別按PKPM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的空間分析和平面框架對(duì)結(jié)構(gòu)梁柱構(gòu)件進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明均滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范的受力和變形要求，兩種方法的計(jì)算結(jié)果誤差較大。4設(shè)計(jì)中相應(yīng)的一些構(gòu)造措施1節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)大于40mm的鋼板，其X、Y、Z三個(gè)方向的力學(xué)性能存在有一定的差異性，尤以Z向的性能最差。當(dāng)焊接及承受厚度方向拉力作用時(shí)容易引起層狀撕裂。另外較厚的鋼板在焊接前還應(yīng)預(yù)加熱，施工工序也很麻煩。考慮到上述因素，本工程不選用大于40mm厚的鋼板，對(duì)容易發(fā)生撕裂破壞的部位置在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)采取適當(dāng)?shù)募訌?qiáng)措施。如挑梁頂部支座節(jié)點(diǎn)增加受拉鋼筋，并在滿足使用要求的前提下，局部適當(dāng)加大梁高度，在懸挑梁端部設(shè)置端柱使上下挑梁協(xié)同工作，從而使各層挑梁根部受力和變形更加均衡，懸挑結(jié)構(gòu)的整體性得到較大的改善。2鋼筋骨架與型鋼梁的組合連接方面為了更好地保證鋼筋混凝土與型鋼之間的傳力要求，工程還采取了一些相應(yīng)的構(gòu)造措施，主要有:①在型鋼混凝土梁的型鋼根部翼緣上設(shè)置栓釘;②為方便施工時(shí)澆筑混凝土，型鋼混凝土梁和混凝土柱縱筋間距盡量加大，最大程度地避免柱縱筋穿過(guò)型鋼，當(dāng)無(wú)法避免時(shí)，要求工廠預(yù)留柱縱筋孔;③為減少梁、柱縱筋的搭接，型鋼混凝土梁和柱縱筋全部采用機(jī)械連接和焊接，鋼筋接頭位置與梁、柱等連接節(jié)點(diǎn)錯(cuò)開;④根據(jù)需要局部樓板雙層雙向配筋;⑤型鋼腹板開孔實(shí)現(xiàn)鋼筋骨架中側(cè)向鋼筋的拉結(jié)，確?；炷僚c型鋼的協(xié)同工作。采用普通鋼筋混凝土懸挑梁結(jié)構(gòu)雖然也能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的大懸挑，但考慮到支撐懸挑部分荷載的主要兩棉帶斜撐框架，在極端情況下任何一棉失效后，在重力荷載作用下，均會(huì)發(fā)生大懸挑結(jié)構(gòu)的倒塌，因此為確保懸挑結(jié)構(gòu)的絕對(duì)安全，選擇型鋼混凝土作為框架梁柱的結(jié)構(gòu)形式是合理的。雖然采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)造價(jià)上略高于普通鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，但對(duì)本工程來(lái)說(shuō)因建筑物體量小，增加的費(fèi)用很少，然而卻解決了施工上的難度，并大大提高了結(jié)構(gòu)的安全度和延性，其性價(jià)比較高。結(jié)語(yǔ)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、新材料、新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，人們對(duì)建筑物的美觀和功能要求越來(lái)越高，各種平面和立面不規(guī)則的建筑物越來(lái)越多，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師們提出了許多新的問(wèn)題，對(duì)新材料及新結(jié)構(gòu)形式的科學(xué)應(yīng)用提出了更高的要求，以滿足建筑師們的奇思妙想。在這些標(biāo)新立異建筑中，大懸挑結(jié)構(gòu)經(jīng)常被采用。懸挑梁在整個(gè)結(jié)構(gòu)體系中具有特殊性，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，將對(duì)整幢建筑物構(gòu)成極大的安全隱患。另外，懸挑結(jié)構(gòu)常常處于室外，要經(jīng)受雨水和二氧化碳等的直接侵蝕，其所受荷載也存在一定的不確定性，所以一旦出現(xiàn)裂縫，極有可能進(jìn)一步擴(kuò)大，嚴(yán)重危及建筑物的安全。因此，懸挑結(jié)構(gòu)