程 曦

(中國電子工程設計院有限公司，北京 100142)

0 引言

隨著我國科技的進步與發(fā)展，越來越多的復雜高層建筑中采用懸挑結(jié)構(gòu)。采用鋼桁架結(jié)構(gòu)進行懸挑，其優(yōu)點為造型簡單、跨度合理、經(jīng)濟性好。本文針對某復雜建筑單體中的懸挑結(jié)構(gòu)，進行了方案比選及結(jié)構(gòu)設計分析，探討類似項目的結(jié)構(gòu)設計流程。

1 工程概況

某復雜單體建筑含局部圓形展廳，展廳面積800 m2，下方為坡屋面，建筑效果圖如圖1所示。

整體建筑采用鋼筋混凝土框架—抗震墻結(jié)構(gòu)體系，主要結(jié)構(gòu)屋面高度36 m，地上8層，地下1層。地下1層層高6.0 m，地上各層層高均為4.5 m。大跨度展廳位于該建筑物的角部，采用鋼桁架結(jié)構(gòu)體系，展廳標高18.000，跨度32 m，下方為坡屋面，展廳外側(cè)橢球型造型采用肋環(huán)形單層網(wǎng)殼。展廳平面及立面布置圖如圖2，圖3所示。

2 結(jié)構(gòu)選型

針對展廳建筑平面，擬選用如下幾種結(jié)構(gòu)型式：

1)結(jié)構(gòu)方案1：采用六榀桁架，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)方案優(yōu)點為受力關(guān)系明確，軸以下大跨度懸挑結(jié)構(gòu)僅采用兩榀桁架支撐，造型簡單，?軸位置有結(jié)構(gòu)構(gòu)件，對大跨度桁架抗傾覆有利。缺點為GL1截面過大，因幕墻造型為橢球型，邊緣處高度很小，GL1對建筑造型有較為明顯的影響，?軸結(jié)構(gòu)構(gòu)件對建筑外觀有些許影響，故未采用該方案。

2)結(jié)構(gòu)方案2：采用八榀桁架，如圖5所示。該結(jié)構(gòu)方案優(yōu)點為有效減小了GL1的截面，對建筑外觀無影響，增加的桁架4使得②軸～④軸間鋼梁跨度明顯減小，可以靈活布置次梁位置，躲開建筑洞口區(qū)域。缺點為?軸結(jié)構(gòu)構(gòu)件對建筑外觀有些許影響，且展廳最南側(cè)與最北側(cè)端點位移相差較大，對屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的初始位移較為不利，故未采用該方案。

3)結(jié)構(gòu)方案3：采用12榀桁架，如圖6所示。該結(jié)構(gòu)方案優(yōu)點為取消?軸結(jié)構(gòu)構(gòu)件，建筑造型美觀，展廳最南側(cè)與最北側(cè)端點位移相差較小，對屋蓋鋼結(jié)構(gòu)的初始位移有利。展廳內(nèi)部鋼次梁跨度較小，建筑洞口布置靈活，樓板分隔較小，多數(shù)不需要采用臨時支撐，方便施工。采用該方案作為最終設計方案并針對展廳豎向構(gòu)件進行抗傾覆和穩(wěn)定性驗算。

3 設計參數(shù)

本場地抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度0.05g，建筑抗震設防類別為標準設防類，建筑場地類別Ⅱ類，設計地震分組第一組，特征周期0.35 s。

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)做法及業(yè)主使用要求，恒載為3.0 kN/m2(不計入板上隔墻荷載，結(jié)構(gòu)自重軟件自動計算)，活載考慮人員密集的可能，采用3.5 kN/m2，下掛幕墻結(jié)構(gòu)為1.0 kN/m2。

基本風壓0.30 kN/m2(50年一遇)，驗算舒適度用風壓0.20 kN/m2(10年一遇)，地面粗糙度類別為B類。

根據(jù)GB 50009—2012建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范，本地區(qū)不考慮雪荷載。

考慮鋼結(jié)構(gòu)對溫度作用比較敏感，考慮基本氣溫，合龍溫度，結(jié)構(gòu)最高最低溫度，當?shù)貧鉁乇容^均勻，最后確定結(jié)構(gòu)最大溫升溫降為16 ℃，-12 ℃。

4 結(jié)構(gòu)整體計算

展廳桁架采用上下弦桿+斜腹桿+豎腹桿型式，為保證水平力傳遞，上下弦桿均伸入支座內(nèi)一跨。為提高整體穩(wěn)定性，減小懸挑長度，?軸與軸之間設置兩榀空腹桁架。

桁架及次梁均采用H型鋼，最高截面高度700 mm，樓板采用閉口型壓型鋼板，柱采用型鋼混凝土柱(內(nèi)含十字型鋼)。桁架剖面示意圖如圖7所示。

在地震作用下，采用振型分解反應譜法對結(jié)構(gòu)進行分析(程序自動計算振型個數(shù)確保參與質(zhì)量系數(shù)需達到總質(zhì)量的90%以上)?？紤]水平地震作用和豎向地震作用。

恒活、地震作用下結(jié)構(gòu)最大位移見表1。

懸挑桁架最大位移57.82 mm，滿足桁架撓度要求，懸挑下弦桿最大應力比0.68。

表1 結(jié)構(gòu)最大位移 mm

5 活荷載不利布置

由于展廳南北兩側(cè)懸挑長度相差較大，故考慮最不利工況：活荷載按照懸挑較大側(cè)(南側(cè))滿布，懸挑較小側(cè)為0(見圖 8)。

考慮活荷載不利布置后，展廳位移情況見表2。

表2 結(jié)構(gòu)最大位移(活荷載不利布置) mm

選取其中一根構(gòu)件，進行軸力變化對比：Z1軸力變化為：4 077.4(正常情況)；3 879.3(活荷載不利布置)。

6 展廳抗傾覆驗算

7 結(jié)構(gòu)加強措施

由于結(jié)構(gòu)下方為坡屋面，導致展廳下方兩層層高范圍內(nèi)無法增設有效結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)拉結(jié)。故采取如下加強措施，以提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性：

1)在樓電梯間周圈設置核心筒，核心筒端頭及轉(zhuǎn)角處均采用約束邊緣構(gòu)件，并在展廳標高處設置型鋼混凝土梁，保證水平力的有效傳遞；

2)型鋼混凝土柱與鋼框梁交接處，采用柱縱筋穿筋孔穿過并補強的施工做法，保證豎向力的連續(xù)；

3)型鋼混凝土柱鋼筋嚴禁采用搭接連接；

4)桁架下弦設置水平撐，減小下弦桿平面外計算長度；

5)樓板采用150 mm厚閉口型壓型鋼板，增加整體剛度。

8 結(jié)論

1)對于展廳結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設計，需結(jié)合建筑使用功能及平面布置，考慮經(jīng)濟性、受力合理及施工方便等多個因素，綜合確定結(jié)構(gòu)方案；對于次結(jié)構(gòu)的布置也應進行優(yōu)化比較，考慮樓板跨度及結(jié)構(gòu)截面尺寸等因素；

2)對于大跨度懸挑結(jié)構(gòu)，需考慮豎向地震作用對結(jié)構(gòu)的影響；對于6度地區(qū)，地震作用影響總體較小，恒活作用為控制項；

3)由于鋼結(jié)構(gòu)對溫度作用比較敏感，需考慮溫度作用對結(jié)構(gòu)的影響；

4)對于不對稱展廳結(jié)構(gòu)，需考慮活荷載不利布置工況并進行抗傾覆驗算；

5)采取有效的結(jié)構(gòu)加強措施，確保結(jié)構(gòu)在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的安全性與穩(wěn)定性。