施汝軍

（云南云嶺公大公路工程有限公司，云南 昆明 650220）

結(jié)合當(dāng)前的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來看，懸挑結(jié)構(gòu)以側(cè)向支撐為主，本身是梁板結(jié)構(gòu)中的一部分，在實(shí)際的施工過程中必須要進(jìn)行合理的驗(yàn)算，確保相關(guān)參數(shù)符合施工標(biāo)準(zhǔn)，才能夠提升建筑的安全性和穩(wěn)定性，因此建立在實(shí)際工程案例的基礎(chǔ)上，分析懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的相關(guān)驗(yàn)算內(nèi)容以及驗(yàn)算方法，不僅是本文論述的重點(diǎn)，也是進(jìn)一步提升懸挑結(jié)構(gòu)應(yīng)用價(jià)值的重點(diǎn)課題。

1 建筑工程懸挑結(jié)構(gòu)內(nèi)容

從建筑專業(yè)角度來講，懸挑結(jié)構(gòu)主要指的是利用拉索結(jié)構(gòu)或者其他方法來實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件外延的一種方式。部分或者整體懸挑結(jié)構(gòu)下沒有支撐物進(jìn)行支撐，整體結(jié)構(gòu)以側(cè)向受力為主，從主體結(jié)構(gòu)上延伸出懸挑梁或者板結(jié)構(gòu)，形成懸臂，其中有一部分澆筑在整體的建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)，另一部分以伸出式的方式形成外懸式結(jié)構(gòu)，通常應(yīng)用在跨度較大的廠房，體育館，展覽館，高層建筑物或者橋梁等公共建筑物中，是當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)中不可或缺的重點(diǎn)，同時也是發(fā)揮建筑多樣化功能的重要結(jié)構(gòu)，大部分的懸挑結(jié)構(gòu)能夠提供遮雨、陽臺等功能。

2 懸挑結(jié)構(gòu)驗(yàn)算實(shí)際案例分析

怒江美麗公路綠道建設(shè)工程位于瀘水市魯掌鎮(zhèn)小沙壩服務(wù)區(qū)。該項(xiàng)目是G219線丙中洛至六庫公路改擴(kuò)建工程（怒江美麗公路）的重要組成部分，全長285.56公里，全線按城鎮(zhèn)型和郊野型綠道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，針對工程擋墻外側(cè)利用了懸挑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從外觀上來看，不僅能起到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的作用，也能夠成為整體工程的個性化工程。另外，建立在工程安全性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，針對懸挑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須要保持高度重視，嚴(yán)格落實(shí)相關(guān)受力情況和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的驗(yàn)算。才能夠?yàn)橘|(zhì)量控制提供保證。

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算流程

3.1 模型建立及荷載計(jì)算

根據(jù)圖紙建立6m跨鋼結(jié)構(gòu)支承模型，采用MIDAS/CIVIL2019通用有限元分析軟件建模，模型共計(jì)72個節(jié)點(diǎn)，74個單元。包括斜撐、鋼橫梁、外側(cè)縱梁、內(nèi)側(cè)縱梁以及平聯(lián)等結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬。斜撐與橫梁以及平聯(lián)與橫梁的的連接均采用共節(jié)點(diǎn)建立單元的方式模擬，橫梁錨固于擋墻的邊界條件通過各向均約束的一般支承的方式模擬，斜撐錨固于牛腿的邊界條件通過各向均約束的一般支承模擬。模型消隱圖以及邊界設(shè)置如圖1。

圖1 模型消隱圖

結(jié)構(gòu)施加自重、橋面板荷載、鋪裝及護(hù)欄荷載以及人群荷載，其中除自重外，單跨6m鋼支撐所受的其余荷載均通過梁單元荷載的形式平均分配給兩根鋼橫梁。橋面板荷載根據(jù)其構(gòu)造考慮三遍支撐以及兩邊支撐兩種情況，荷載計(jì)算如下：

q橋面板1=1.96×2.5×0.15×26/（1.96×2+2.5）=3.0kN

q橋面板2=1.96×2.5×0.15×26/（1.96×2）=4.9kN

q護(hù)欄=1kN/m

q鋪裝=1.2×2.5×6/（6×2+2.5×2）=1.06kN/m

q人=2.5×4×6/（6×2+2.5×2）=3.53kN/m

基本組合荷載取為：1.2×（自重+橋面板荷載+鋪裝和護(hù)欄+人群荷載）

3.2 鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算

針對整體懸挑結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算主要分為以下幾點(diǎn)。首先需要進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，結(jié)合對整體懸挑結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力峰值為-54MPa，主要出現(xiàn)在外側(cè)的縱梁跨中，整體結(jié)構(gòu)處于安全范圍內(nèi)。其次需要計(jì)算鋼橫梁的應(yīng)力分布情況，經(jīng)過對應(yīng)力云圖進(jìn)行分析之后，整體的鋼桁梁荷載組合最大應(yīng)力為34.4MPa，最大位置在懸臂的根部，符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

其次需要進(jìn)行斜撐應(yīng)力計(jì)算，荷載組合下的斜撐最大應(yīng)力為-43.5MPa，應(yīng)力水平較低，符合材料的使用需求。

另外平聯(lián)應(yīng)力最大數(shù)值為18.9MPa，應(yīng)力水平較低，滿足材料要求。外側(cè)縱梁應(yīng)力最大數(shù)值為54MPa；內(nèi)側(cè)縱梁應(yīng)力最大值為-29.8MPa。皆滿足相關(guān)需求。

另外對整體鋼結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行了計(jì)算，4m跨鋼支撐最大行變?yōu)?4.8mm，且主要出現(xiàn)在外側(cè)縱梁的跨中位置變形，參數(shù)較小。

彈性穩(wěn)定特征值分析采用自重不變+人群荷載可變，得到結(jié)構(gòu)一階屈曲模態(tài)為外側(cè)橫梁的橫向彎曲變形，特征值為19，滿足工程一般要求λ≥4。

斜撐截面為100×6mm的方形鋼管，彎矩作用在對稱軸平面內(nèi)的實(shí)腹式壓彎構(gòu)件，彎矩作用平面內(nèi)穩(wěn)定性按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）8.2.1-1條驗(yàn)算。

彎矩作用平面內(nèi)的整體穩(wěn)定性應(yīng)按下列公式計(jì)算：

3.3 擋土墻穩(wěn)定性計(jì)算

擋土墻的傾覆穩(wěn)定系數(shù)定義為抗傾覆力矩/傾覆力矩，實(shí)際的計(jì)算方式需要考慮到擋土墻的自重、墻后土壓力以及懸挑結(jié)構(gòu)的力臂參數(shù)，考慮到擋土墻類型眾多，本項(xiàng)目選取高度最低和最高的兩者進(jìn)行計(jì)算。

針對高度最低的擋土墻進(jìn)行計(jì)算，

自重：G=4.54×6×26=708.24kN

抗傾覆力矩=708.24×1.5+90.8×0.5=1107.76kNm；

傾覆力矩=38.25×1+82×3=284.25kNm；

抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)=1107.76/284.25=3.9>1.6。

因此，3m的擋土墻其抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

針對高度最大的擋土墻穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算時：

自重：G=72.61×6×26=11327.16kN；

抗傾覆力矩=11327.16×4+90.8×9.5=46170kNm；

傾覆力矩=612×4+82×12=3432kNm；

抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)=46170/3432=13.5>1.6。

因此，12m的擋土墻其抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

本工程中采用簡化計(jì)算方法，計(jì)算過程偏保守，沒有考慮衡重式擋土墻特殊構(gòu)造對傾覆穩(wěn)定性的正向影響，同時墻后填土重度按17kN/m3考慮，從計(jì)算結(jié)果看擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性是安全的。

3.4 錨桿錨固長度計(jì)算

本工程中針對錨桿的計(jì)算，需要結(jié)合非預(yù)應(yīng)力錨桿的計(jì)算方法進(jìn)行綜合分析，并且建立在錨桿和砂漿界面以及砂漿與巖層界面之間的質(zhì)量控制角度進(jìn)行考慮，因此普通中空錨桿以及錨固端抗拔承載力需要利用下述公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Nd：錨桿或單元錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值（N）；La：鋪固段長度（m）；fmg：錨固段注漿體與地層間極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa或kPa），應(yīng)通過試驗(yàn)確定，當(dāng)無試驗(yàn)資料時，可按表4.6.10取值；：錨固段注漿體與筋體間粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa），可按本規(guī)范表4.6.12取值；D：錨桿錨固段鉆孔直徑（mm）；d：鋼筋或鋼絞線直徑（mm）；K：錨桿段注漿體與地層間的粘結(jié)抗拔安全系數(shù)，按本規(guī)范表4.6.11取值；ξ：采用2根或2根以上鋼筋或鋼絞線時，界面粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.70～0.85；ψ：錨固段長度對極限粘結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)，可按本規(guī)范表4.6.13選?。籲：鋼筋或鋼絞線根數(shù)。

相關(guān)系數(shù)如下：由于錨桿的錨固段包含C20混凝土以及土層兩段，C20混凝土按軟巖考慮，土層按堅(jiān)硬黏性土考慮，根據(jù)表4.6.10取注漿體與周邊地層的極限粘結(jié)強(qiáng)度為：前者為0.6，后者為0.12；注漿體與地層間的抗拔安全系數(shù)為2.2；注漿體與桿體之間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取為1.0；錨固段長度對強(qiáng)度的影響系數(shù)與錨桿長度有關(guān)，影響系數(shù)取為1.0；錨桿穿過擋土墻的長度取較小值0.6m，則穿過土層的長度為（L-0.6）m；荷載組合下單個衡量錨固端的拉力需要結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行分析，由于6m的懸挑拉力，大于4m的懸挑拉力，因此需要利用6m懸挑反力進(jìn)行計(jì)算，恒載荷載系數(shù)取1.2，活載荷載系數(shù)為1.4。其拉力計(jì)算公式為：

1.2G＋1.4F活＝1.2×34.73+1.4×20.58＝70.5kN

另外還需要考慮錨桿數(shù)量以及錨固端的組合搭配方式，本工程中涉及到了單個錨固端設(shè)置兩根錨桿的形式，單根錨桿所承受的拉力為35.25kN，那么注漿體與巖層之間的強(qiáng)度計(jì)算公式為：

注漿體和桿體之間的強(qiáng)度計(jì)算公式為：

利用上述公式進(jìn)行參數(shù)帶入，計(jì)算結(jié)果表示，當(dāng)在一個錨固端設(shè)置兩根錨桿的情況下，錨桿的錨固長度需要≥4.3m。

其次涉及到了一個錨固端設(shè)置4個錨桿的情況，這時單根錨桿所承受的拉力為17.6kN，那么注漿體與巖層間的強(qiáng)度計(jì)算為：帶入上述公式和參數(shù)之后結(jié)果為L≥0.8m，注漿體與錨桿體之間的強(qiáng)度，結(jié)果為L≥0.25m。

因此在一個錨固端設(shè)置4個錨桿的形式下，錨桿的錨固長度應(yīng)該大于等于0.8m，同時實(shí)際的規(guī)范中針對中空錨桿的長度參數(shù)限制為不小于3m，需要將錨固的長度設(shè)置為3m。

4 結(jié)束語

綜上所述，懸挑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅能夠增強(qiáng)建筑的視覺沖擊力，也能夠優(yōu)化建筑外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，但是由于懸挑結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制，在設(shè)計(jì)過程中必須要落實(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算和優(yōu)化，綜合核載力、擋土墻穩(wěn)定性、鋼結(jié)構(gòu)支撐力以及錨桿錨固長度進(jìn)行分析，加強(qiáng)驗(yàn)算的精準(zhǔn)性，才能夠真正實(shí)現(xiàn)對懸挑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的控制。