崔佳

【摘要】以工程實(shí)例，通過(guò)PK和SATWE計(jì)算混凝土長(zhǎng)懸臂桁架構(gòu)件，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】長(zhǎng)懸臂懸挑 桁架 PK和SATWE

一、工程簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目為一棟地面五層、地下一層建筑，地上總建筑面積3.7萬(wàn)平方米，地下建筑面積1.2萬(wàn)平方米。由一層的商業(yè)步行街、二三層的大型連鎖超市、四五層的休閑及酒店組成。

本項(xiàng)目采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，房屋總高度為24.00m，抗震設(shè)防類別為重點(diǎn)設(shè)防類別（乙類），設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0.05g，基本風(fēng)壓W0=0.35KN/m2 。為滿足建筑功能和立面需求，本項(xiàng)目的東北角二層為架空，三～四層為超過(guò)8.4m的雙向懸挑，二～四層?xùn)|北角局部結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)圖如下圖所示：

二、結(jié)構(gòu)方案選型

本項(xiàng)目東北角的雙向長(zhǎng)懸臂懸挑，已超出常規(guī)混凝土構(gòu)件的適用范圍。按一般設(shè)計(jì)思路，可采用混凝土預(yù)應(yīng)力懸挑梁，該方案具有技術(shù)成熟可靠、截面可控等優(yōu)點(diǎn)，但因預(yù)應(yīng)力體量較小、施工相對(duì)較麻煩、施工工期較長(zhǎng)且造價(jià)高等諸多弊端而被摒棄。結(jié)合本項(xiàng)目三～四層均為雙向懸挑，且懸挑處為玻璃幕墻的特點(diǎn)，對(duì)本長(zhǎng)懸臂懸挑擬采用混凝土桁架結(jié)構(gòu)。

本項(xiàng)目三、四層X(jué)方向懸挑8624mm，Y方向懸挑8400mm，三～四層層高5400?；炷凌旒軘M采用三、四層樓面梁分別作為上、下弦桿，中間設(shè)置斜向支撐。為充分利用混凝土構(gòu)件的抗壓強(qiáng)度明顯高于抗拉強(qiáng)度的材料特性，在前期試算時(shí)，筆者對(duì)不同斜腹桿的布置方案進(jìn)行比較，最終決定采用受拉斜桿數(shù)量較少的布置，即設(shè)置了一道X型斜撐、一道一字型斜撐，如下圖所示：

三、結(jié)構(gòu)計(jì)算

混凝土桁架為超靜定結(jié)構(gòu)，且各節(jié)點(diǎn)均為剛性連接，由于剛性節(jié)點(diǎn)的軸力與鉸接桁架的軸力相差不大，故一般可簡(jiǎn)化成按鉸接桁架計(jì)算。上下弦桿一般可簡(jiǎn)化為支撐于節(jié)點(diǎn)的連續(xù)梁，斜腹桿一般可簡(jiǎn)化為壓彎（或拉彎）的斜撐構(gòu)件。

本桁架上、下弦桿承受著樓面及墻體荷載，由于桁架矢高H（即三層層高）較高，且X、Y方向均采用桁架懸挑行成空間受力體系，所以上下弦桿及斜腹桿截面均較小。

本項(xiàng)目采用中國(guó)建筑科學(xué)研究院編制的PKPM進(jìn)行計(jì)算，在建模時(shí)，上、下弦桿按梁?jiǎn)卧斎?，斜腹桿按斜桿輸入。由于本項(xiàng)目的桁架僅局部設(shè)置，且相對(duì)較簡(jiǎn)單，可采用“PK”按單榀框架進(jìn)行計(jì)算，X方向桁架PK計(jì)算的立面、荷載如下圖所示：

PK可分別輸出單榀框架彎矩、剪力、軸力、配筋等包絡(luò)圖（限于篇幅，本文未一一列出）。以上圖中斜腹桿A為例，PK計(jì)算結(jié)果如下：

混凝土 柱 10

截面類型= 1； 布置角度= 0；計(jì)算長(zhǎng)度： Lx= 5.40， Ly= 5.40

構(gòu)件長(zhǎng)度= 5.40； 計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)： Ux= 1.00 Uy= 1.00

抗震等級(jí)： 三級(jí)

截面參數(shù)： B= 500， H= 400

設(shè)計(jì)規(guī)范： 砼規(guī)范GB 50010-2010

柱下端最大配筋對(duì)應(yīng)組合號(hào)： 16， M= 15.71， N= -66.28

柱下端單側(cè)計(jì)算配筋 As= 231.

柱上端最大配筋對(duì)應(yīng)組合號(hào)： 7， M= 16.52， N= 101.99

柱上端單側(cè)計(jì)算配筋 As= 287.

柱單側(cè)構(gòu)造配筋 As= 650.

柱抗剪最大配箍對(duì)應(yīng)組合號(hào)： 1， V= 5.21， N= -89.82

柱抗剪計(jì)算配箍（按100mm間距輸出）：Asv= 123.

柱抗剪構(gòu)造配箍：Asvmin= 324.

抗震最大軸壓比對(duì)應(yīng)組合號(hào)： 54， N= -72.93 軸壓比= -0.025

按此PK計(jì)算結(jié)果，斜腹桿A為構(gòu)造配筋，計(jì)算配筋面積As=650mm2，若此計(jì)算結(jié)果進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)， 根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50010-2010》，按偏心受拉相關(guān)公式計(jì)算裂縫寬度，即：

，求得

不滿足規(guī)范要求。斜腹桿A實(shí)際設(shè)計(jì)配筋為12Φ20，經(jīng)正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，裂縫寬度滿足規(guī)范要求。

為考慮桁架的整體作用，本項(xiàng)目也采用SATWE進(jìn)行整體計(jì)算（因本項(xiàng)目地處6度設(shè)防區(qū)，未對(duì)長(zhǎng)懸臂進(jìn)行豎向地震力計(jì)算）。由于桁架的上下弦桿及斜腹桿均為壓彎（或拉彎）構(gòu)件，為準(zhǔn)確計(jì)算出桁架桿件的軸力，將上下弦桿所在的相關(guān)樓層區(qū)域樓板定義為彈性板膜（計(jì)算顯示與桁架相連的部分梁均出現(xiàn)較大軸力，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起重視）。X方向桁架的計(jì)算內(nèi)力（立面顯示）及變形圖如下：

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)桁架的內(nèi)力分布、變形曲線與方案預(yù)期及PK計(jì)算均不符。以上圖中“下弦桿B”為例，其內(nèi)力及撓度圖更接近于獨(dú)立懸挑梁特征。據(jù)分析發(fā)現(xiàn)， 在使用SATWE計(jì)算時(shí)，選擇“模擬施工”的加載方式，軟件按樓層分層行成剛度并疊加，使得桁架的下弦桿并沒(méi)與斜腹桿形成整體而孤立存在。于是，將SATWE樓層剛度及荷載加載方式改為“一次性加載”，計(jì)算后發(fā)現(xiàn)內(nèi)力及變形曲線與方案預(yù)期一致。“一次性加載”計(jì)算后的X方向桁架計(jì)算內(nèi)力（立面顯示）及變形圖如下：

經(jīng)比較，在荷載準(zhǔn)確、假定合理時(shí)，PK和SATWE計(jì)算的結(jié)果差異較小，均可用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足工程精度需要。桁架立面示意圖如下：

四、施工圖設(shè)計(jì)

基于長(zhǎng)懸臂桁架自身的難點(diǎn)及特點(diǎn)，在施工圖設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者著重注意了如下幾方面：

1、為防止施工出錯(cuò)，設(shè)計(jì)繪圖時(shí)摒棄傳統(tǒng)的平面表示方法，對(duì)桁架懸挑繪制了三維線框透視圖、立面圖、大樣剖面圖，后期根據(jù)工程需要又補(bǔ)充了鋼筋放樣圖。

2、考慮桁架弦桿承受較大軸力的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)要求上、下弦桿及斜腹桿縱筋均應(yīng)采用整根鋼筋，不得采用機(jī)械連接或焊接連接，且鋼筋在節(jié)點(diǎn)處均按受拉要求錨固。

3、為便于節(jié)點(diǎn)處鋼筋的錨固和防止應(yīng)力集中，在桁架的弦桿節(jié)點(diǎn)交匯處設(shè)置轉(zhuǎn)角加腋。

4、此桁架為長(zhǎng)懸臂，為空間受力體系，且自重較大，設(shè)計(jì)要求應(yīng)在上弦桿混凝土強(qiáng)度達(dá)到100%后方可拆模。

五、總結(jié)

通過(guò)本項(xiàng)目實(shí)例，對(duì)長(zhǎng)懸臂桁架的設(shè)計(jì)計(jì)算方法、構(gòu)造措施及施工工藝進(jìn)行歸納總結(jié)，可得出如下結(jié)論：

1、在條件允許的前提下，通過(guò)利用兩層或多層樓層空間行成桁架，可實(shí)現(xiàn)混凝土構(gòu)件較大跨度的懸挑，且桁架具有構(gòu)件截面尺寸小、造價(jià)低、施工工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

2、PKPM軟件中PK、SATWE均可對(duì)常規(guī)混凝土桁架進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果可以滿足一般工程精度需求，但應(yīng)注意PK未對(duì)構(gòu)件進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，SATWE應(yīng)采用合理的假定及對(duì)結(jié)果進(jìn)行有效分析后方可用于工程實(shí)際。

3、桁架為超靜定復(fù)雜結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況精心分析，取得最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案；同時(shí)，桁架的受力、變形會(huì)對(duì)周邊相鄰的結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)周邊梁、柱等構(gòu)件的分析。

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