某工程的混凝土長懸臂結構設計

唐勇誠

摘 要：結合工程事例，對地震高烈度區(qū)的大跨度鋼筋混凝土懸挑梁，采用預應力技術和型鋼混凝土組合技術，解決懸挑梁的結構受力和梁的變形、撓度控制問題。主要介紹預應力懸挑梁的結構計算情況，對懸挑梁的控制參數(shù)、內力計算、抗裂驗算、變形驗算和抗震驗算等提出了設計建議。

關鍵詞：混凝土長懸臂；預應力結構；型鋼混凝土組合結構設計

隨著我國經濟的快速發(fā)展，現(xiàn)代高層建筑如雨后春筍般地大量出現(xiàn)在我們的城市中，其中一些憑借著巨大的尺度及其震撼人心的視覺沖擊力，影響著周圍的環(huán)境與事務，甚至成為一個城市的形象標志。由于現(xiàn)代建筑功能的多樣性，建筑造型的奇特性，使新材料、新結構、新技術的特性在結構設計中得以發(fā)揮和應用，大跨度懸挑結構已經成為解決結構專業(yè)對建筑設計提供復雜方案可實現(xiàn)性的重要技術手段之一，有粘結預應力技術和型鋼混凝土組合結構技術的引入更為懸挑結構向更大跨度的延伸提供了安全、可靠、先進、合理的技術上的有力保證。地處地震高烈度區(qū)的大跨度懸挑結構，不僅要充分考慮水平地震力作用對其產生的破壞效應，還應根據(jù)《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程》第4.3.2.3條，計算豎向地震作用對其產生的破壞效應，以保證建筑結構的安全。下面以位于某8度區(qū)的某科技公司商務樓為實例，對混凝土大懸挑的設計方法進行討論。

1 工程概況介紹

本工程為某科技公司商務樓，位于某市級經濟技術開發(fā)區(qū)興國路西側2號地塊，興國路與龍船塢路交叉口西北角。該地塊場地較平整，南北長66m，東西寬93m，樓電梯間、強弱電井等附屬用房集中布置于核心筒，塔樓標準層辦公房間沿核心筒周圍布置。地下1、2層為六級人員掩蔽部和六級人防車庫及設備用房，平時為汽車庫。1～3層（包括東側裙房）為商業(yè)用房，4～23層為辦公用房，24層為員工食堂、會議及多功能、活動室，25層為機房層。

本工程總用地面積6665.2m2，總建筑面積36888m2；地下10420m2，地上26468m2，占地面積2480.4m2，其中商業(yè)部分建筑面積7152m2，辦公部分建筑面積19316m2，其余建筑面積10420m2。地下二層，地上二十五層，地下1、2層層高4.5m，1～3層層高4.9m，4～11層層高3.9m，12～23層層高3.8m，24層層高4.7m，25層層高3m，建筑總高度99.650m。

本工程結構結構采用鋼筋混凝土框架—核心筒結構體系，樓面結構采用現(xiàn)澆混凝土梁板體系，建筑結構安全等級為二級，基礎設計等級為甲級，建筑防火等級為一級，結構設計使用年限為50年，建筑抗震設防類別為標準設防類（乙類），抗震設防烈度為8度（設計基本地震加速度0.20g），建筑場地類別IV類，設計地震分組為第一組，結構抗震等級：框架一級，核心筒一級。基本風壓0.7kN/m2，基本雪壓0.45kN/m2，地基承載力特征值110kPa。

結構沿豎向由底部至17層外圈框架逐漸收進，再由17層至頂層逐漸外挑（層層由挑梁外挑），兩主軸方向頂層（96.200m）相對17層（64.900m）挑出4.5m，四角部挑出達6m，建筑造型見建筑效果圖。經過各種方案的優(yōu)化比較，決定22層（83.900m）和23層（87.700m）樓層采用型鋼混凝土組合挑梁，24層（91.500m）和25層（96.200m）樓層采用有粘結預應力混凝土挑梁，以解決建筑造型上部逐層外挑的問題。

2 懸挑梁的結構設計

預應力混凝土構件和型鋼混凝土組合構件在控制懸臂梁的撓度和裂縫方面有其獨特的優(yōu)越性，當然非預應力鋼筋在受力和變形裂縫控制方面也發(fā)揮了其應有的作用。

2.1 梁控制參數(shù)

應用PKPM軟件中的SATWE程序對結構進行整體計算，求出預應力梁所承受的恒載和活載作用下的內力標準值。懸挑梁中配置預應力筋主要用于控制梁的裂縫和撓度，而強度主要由非預應力普通鋼筋承擔。

懸挑梁的混凝土強度等級取C35，普通受力鋼筋和箍筋均采用HRB400級鋼筋，預應力筋采用直徑15.2mm的鋼絞線，fptk=1860MPa。懸挑梁的跨度分別為6m和4.5m，梁的截面尺寸分別為400×750和400×600。預應力筋呈水平直線布置，一端張拉，控制點到梁頂?shù)木嚯x為150mm。

2.2 梁內力計算

預應力筋的張拉控制應力σcon=0.7fptk=1302MPa，張拉時超張拉3%。考慮錨具回縮、摩擦損失、鋼筋應力松弛、混凝土徐變等，預應力筋有效預應力為1090MPa。預應力梁在各種荷載作用下的梁根部控制截面彎矩、剪力以及總的預壓應力（預應力等效荷載軸力）見下表。

2.3 抗裂驗算

2.4 正常使用極限狀態(tài)下的梁變形驗算

下表中f1是荷載作用下的撓度，根據(jù)SATWE計算的彈性撓度乘以系數(shù)Bs/B換算成的長期撓度；f2是預應力的反拱值；f是梁最終的撓度；L0為懸挑梁的計算跨度（L0=2L）。規(guī)范的撓度限值[L0/f]為400，所以不同跨度的兩根預應力梁的變形驗算均滿足規(guī)范要求。

2.5 梁抗震驗算

按照《建筑抗震設計規(guī)范》（GB50011-2010）附錄C和《預應力混凝土結構抗震設計規(guī)程》（JGJ140-2004）分別驗算了懸挑梁預應力強度比、梁端換算配筋率、梁端混凝土受壓區(qū)高度和有效高度之比，以及懸挑梁梁底和梁頂非預應力筋配筋量的比值，均滿足要求。

3 結束語

對于地處地震高烈度區(qū)的大跨度鋼筋混凝土懸挑梁結構，除了滿足強度要求外，變形和裂縫控制也是至關重要的，采用有粘結預應力技術和型鋼混凝土組合技術，可有效地解決好這類技術問題。