超大跨度懸挑混凝土框桁架雜交結構優化選型

王世宇 唐思賢 史俊濤

(貴州大學土木建筑工程學院，貴州貴陽 550003)

1 概述

近年來，由于建筑技術、建筑材料的發展及復雜建筑的功能要求，超大跨度懸挑結構覆蓋跨度大，承載力高，造型優美且富有藝術表現力，在實際工程中得到廣泛應用。大跨度懸挑結構由于其特殊的結構形式往往會產生較大內力，引起懸挑端極大的豎向位移，對結構的安全性、適用性、耐久性造成一定的影響。本文以遵義市規劃展覽館為研究對象，對超大跨度懸挑混凝土框桁架雜交結構進行靜力分析。遵義市規劃展覽館是遵義市重點控制工程之一，項目主體展館部分平面尺寸為66m×77m，地上2層，建筑總高度為18.6m。展館主體結構采用下部收進上部大懸挑結構(見圖1，圖2)，體系的豎向剛度明顯不規則，展覽館主體結構為混凝土框桁架雜交結構，懸挑部分外墻是由主體部分懸挑出的長度為22m鋼筋混凝土桁架構成，使得結構體系在靜力及地震作用下，動力響應性能成為結構體系安全控制的關鍵因素。

2 有限元模型

模型懸挑部分上部屋面及下部樓面板均采用密肋樓板，中部墻面采用混凝土桁架(見圖3)。結構樓面板及屋面板均采用彈性板單元，桁架上下弦桿及豎向腹桿均采用彈性梁單元，斜腹桿采用桿單元，上、下弦桿截面尺寸為600mm×800mm，豎向腹桿及斜向腹桿截面尺寸為600mm×600mm。所有構件均采用C35級混凝土，彈性模量 3.15E10N/m2，泊松比 0.21;密度為2500kg/m3。樓面荷載恒荷載 2.0kN/m2、活荷載 5.0kN/m2;屋面載荷恒荷載4.0kN/m2、活荷載2.0kN/m2，采用1.2倍恒載 +1.4倍活載作為設計值。

3 超大懸挑混凝土框桁架結構懸挑桁架體系優化選型及靜力分析

為研究懸挑部分結構對整體結構靜力特性的影響，本文通過調整懸挑混凝土桁架腹桿方向、懸挑桁架節間距、懸挑部分樓板厚度等參數來對該結構進行靜力特性分析，具體采用如下7個整體結構計算模型，模型示意圖見圖4。

圖1 2層樓面結構布置圖

圖2 HJ-1示意圖

模型1:懸挑部分桁架采用6節桁架，板厚取120mm，斜腹桿向外傾斜。

模型2:懸挑部分桁架采用6節桁架，板厚取120mm，斜腹桿向內傾斜。

模型3:懸挑部分桁架采用6節桁架，板厚取120mm，斜腹桿米字形傾斜。

模型4:懸挑部分桁架采用6節桁架，板厚取100mm，斜腹桿向外傾斜。

模型5:懸挑部分桁架采用6節桁架，板厚取140mm，斜腹桿向外傾斜。

模型6:懸挑部分桁架采用7節桁架，板厚取120mm，斜腹桿向外傾斜。

模型7:懸挑部分桁架采用5節桁架，板厚取120mm，斜腹桿向外傾斜。

根據結構受力特點，本文選取懸挑結構中懸挑桁架受力最不利的3根弦桿梁(1號桿、2號桿、3號桿)，2根斜腹桿(4號桿、5號桿)進行內力分析比較(見圖4模型1)。在設計規范規定的荷載組合工況下，結構構件靜力特性見表1。

表1 模型(1～7)中HJ-1最大撓度及內力

圖4 模型示意圖

由表1分析可知:懸挑桁架腹桿傾斜方式取為米字形時懸挑桁架最大撓度最小;隨板厚增加最大撓度相應減小，但當板厚達到120mm時趨于穩定;隨節間距增加懸挑部分最大撓度相應增加，懸挑節數取到6節時幅度變化可以忽略。

結構懸挑桁架內力分布規律，結構弦桿承受力由上向下由拉力變化為壓力，承受剪力及彎矩自上而下增加，因此1號桿承受拉力最大，3號桿承受壓力、剪力、彎矩均為最大，斜腹桿中上層承受壓力小于下層腹桿，4號桿。

上弦桿(1號桿)承受內力以軸向拉力為主，剪力及彎矩相對較小。上弦桿在腹桿傾斜方向呈米字形承受拉力最小;且內力隨板厚增加，上弦桿承受拉力不斷減小，但減小幅度較小;懸挑節數少于6節時1號桿內力明顯增加。

下部弦桿(3號桿)承受內力軸向壓力、彎矩及剪力在弦桿中最大，3號桿軸向壓力、彎矩及剪力均在斜腹桿呈米字形時最小且明顯優于其他兩種模型;隨著板厚增加，3號桿內力相應增加，但幅度較小，可以忽略;隨節間距增大，3號桿軸向壓力相應增加，而剪力及彎矩相應減小。

斜腹桿(4號桿)隨板厚增加，其所承受軸力相應增加，當懸挑桁架節數取為6節時結構承受軸向壓力最小。

綜上所述，結構懸挑桁架腹桿傾斜方式取為米字形，板厚取為120mm，節數取為6節時結構靜力特性最優。

4 結語

以遵義市規劃展覽館工程為背景，對結構懸挑桁架進行了優化選型，并對結構的靜力以及動力特性進行了分析，得出以下結論:1)在靜力作用下，力學模型計算懸挑桁架單元的最大撓度變形及承受內力均滿足規范要求，可見懸挑22m長的混凝土桁架結構在理論上應該是沒有問題的。2)進行優化選型，對比各模型結構懸挑部分最大撓度、懸挑部分桁架的最大拉應力及最大壓應力等指標，從而得出結構懸挑桁架部分桁架腹桿采用米字形布置、懸挑部分板厚采用120mm及懸挑部分桁架采用6節時，結構不僅滿足安全承載力要求，還能很好控制結構最大豎向位移。3)懸挑混凝土桁架中除了腹桿傾斜方向對結構靜力特性影響顯著外，其他兩種因素懸挑部分板厚、懸挑桁架節間距對結構靜力特性影響均較小。

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