南安市某工程豎向外挑結構方案比選及設計

鄭成偉

中國汽車工業工程有限公司廈門分公司（361000）

南安市某工程豎向外挑結構方案比選及設計

鄭成偉

中國汽車工業工程有限公司廈門分公司（361000）

以某工程為例，從建筑功能、工程造價和施工難度等方面對豎向外挑結構方案進行比選，詳細介紹了該工程的整體計算、懸臂梁的設計、抗震驗算及其他事項。

豎向外挑結構；安裝比選；設計；抗震驗算

隨著社會經濟的發展,建筑功能日漸多樣,大體量的商業建筑、綜合體已不再罕見，因此，建設方對于建筑立面外觀有了更高的要求，以求在眾多的同類建筑中給人留下深刻的印象。在本工程中，建筑方案為體現差異性，立面從二層豎向外挑6.3 m，用以達到上下對比強烈的目的。

1 工程概況

本工程位于福建省南安市水頭鎮，地下1層為車庫及設備用房，地上4層，建筑高度為21.15 m，地上建筑面積為2.4萬m2，地上1～2層建筑功能為店面、商店、商店倉庫，3～4層建筑功能為辦公、商店倉庫。根據建筑造型需要，2～4層的建筑在1層的外輪廓基礎上外挑6.3 m，形成一個3層高的豎向外挑。

根據建筑工程抗震設防分類標準，本工程地上1～2層的商場營業面積已超過7 000 m2，因此將地上1～2層的抗震設防類別定為重點設防類（乙類）；地上3～4層的辦公面積小于8萬m2，因此不提高抗震設防類別，依然定為標準設防類（丙類）。本工程結構體系為混凝土框架，建筑結構安全等級為二級，抗震設防烈度為7度，地震加速度為0.15 g，設計地震分組為第三組，場地類別為2類，框架抗震等級為二級，乙類建筑范圍的框架抗震等級為一級?；撅L壓0.65 kPa，地面粗糙度為B類。

圖1 工程平面圖

2 外挑方案比選

2.1 外挑結構采用長懸臂梁

采用分層設懸臂梁，在2層及以上外挑部分層層懸挑，每層單獨受力，樓層之間相互不影響。此方案的優點在于結構體系簡單明晰，不需要考慮整體作用，結構構件對建筑功能無影響.缺點在于懸臂結構缺乏多余約束，懸臂構件冗余度較低，需要采用更可靠、合理的處理方法進行設計。根據懸臂長度及受力情況，懸挑4 m以上的長懸臂構件可以采用型鋼混凝土梁、預應力混凝土梁、預應力型鋼混凝土梁等做法。型鋼混凝土梁和預應力混凝土梁相比，在造價上相差無幾，型鋼混凝土梁需考慮節節點設置鋼柱，增加鋼柱產生的費用較預應力混凝土梁有所增加。在施工難度上,預應力混凝土梁需要專門的預應力隊伍施工。綜合考慮，在幾種懸臂方案中，選擇預應力混凝土梁方案，在應力較大的懸挑部位，采用預應力型鋼混凝土梁方案。

2.2 外挑結構采用懸挑斜腹桁架方案

懸挑部分采用跨層的十字交叉桁架，交叉桁架剛度大，受力傳遞路徑明確，可以充分發揮桁架整體受力性能。此方案結構整體性好，構件冗余度高，無需專業隊伍施工，造價較低。經過與建筑專業協商，認為交叉桁架的斜桿對建筑使用功能影響較大，即便將桁架數量減少，采用間隔布置，之間采用普通混凝土梁，建筑專業亦無法接受，并且外圍封邊桁架對建筑立面風格影響也較大。綜合比較后，本工程放棄采用斜腹桁架方案。

2.3 外挑結構采用懸挑空腹桁架方案

懸挑部分采用空腹桁架，桁架由上、下弦桿和直腹桿組成。此方案優點在于對建筑空間基本無影響，與長懸臂方案相比增加了端部約束，具有一定的冗余度。缺點在于空腹桁架依靠弦桿拉壓來承擔的彎矩小，弦桿自身也需承擔較大的彎矩，受力情況優于懸臂構件，但配筋總量增加，節點施工復雜，造價較斜腹桁架方案高。

對以上三種方案進行比選后，最終選擇了結構體系簡單的長懸臂梁方案，并按長懸臂方案進行設計、施工。

3 整體計算與懸臂梁的設計

本工程采用SATWE程序進行整體計算。整體建模求出預應力梁在外部恒載、活載作用下的構件內力。整體計算時，由于周圈外挑部分較多，導致樓面荷載布置偏向豎向構件外圍分布，因此，需要加強外圍結構剛度，提高整體建筑抗扭剛度。同時，盡量減輕外挑范圍結構自重，減少外挑部分帶來的不利影響，在建筑功能無法改變的情況下，盡量降低結構自重。綜合考慮后，本工程外挑部分樓板厚度由150 mm降低至100 mm。為避免預應力混凝土梁對周邊樓板的影響，外挑部分樓板采用雙層雙向配筋，配筋率不小于0.25%。

本工程的預應力懸臂梁中分別配置有黏結預應力筋和無黏結預應力筋。有黏結預應力筋參與強度計算，用來部分替代普通鋼筋，避免普通鋼筋布置過多，影響施工。無黏結預應力筋不參與強度計算，只用來控制預應力梁的抗裂和撓度。

預應力懸臂梁的混凝土強度等級為C35，預應力筋采用1 860 MPa的低松弛鋼絞線，普通鋼筋和箍筋均采用400 MPa的高強鋼筋。懸臂外挑長度6.3 m，預應力懸臂梁的尺寸普遍為600 mm×800 mm，根部加腋高度400 mm。為使受力合理，懸臂梁內的預應力鋼筋向柱內側延伸一跨，延伸跨內的預應力鋼筋采用直線束布置。預應力鋼束由有黏結鋼絞線和無黏結鋼絞線分別布置，預應力筋采用Φ15.2鋼絞線，采用一端張拉的施工工藝，固定端采用擠壓錨。有黏結預應力筋張拉端采用群錨，無黏結預應力筋張拉端采用單孔夾片錨。

在設計中,由于建筑角部區域為雙向懸挑，為控制端部的撓度、裂縫，預應力混凝土梁的尺寸加大為700 mm×1 300 mm，并且將角部6.3 m×6.3 m的板塊均勻布設井字梁，井字梁截面為500 mm×800 mm?？紤]設計中角部混凝土柱受力較大，截面已達到1 200 mm×1 200 mm，若采用鋼筋混凝土柱，截面、配筋均較大，因此在與雙向懸挑梁相接的角柱中增加了十字形鋼骨，用以增加混凝土柱的延性,并減少普通鋼筋的配置，便于施工澆筑。

由于建筑功能的變化，本工程加設了電動扶梯，懸挑梁的內力相較于其余角部增加較多，因此，于此處設置了預應力型鋼混凝土梁，梁截面為1 200 mm×1 300 mm，型鋼截面高度為900 mm，材質為Q345B。因施工圖設計時，并無預應力型鋼混凝土的設計規范做為設計依據，為安全考慮，在裂縫及撓度計算時，不考慮型鋼的有利作用。

圖2 預應力鋼鉸曲線布置做法圖

4 抗震驗算及其他事項

根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2010）規定，本工程為7度區，長懸臂構件可不考慮豎向地震作用，因底部兩層設防類別為乙類，為保證安全，對長懸臂構件補充按震型分解反應譜法計算豎向地震。計算時，由于建筑為多層，高度不高，豎向地震作用效應放大很不明顯，計算震型數超過150之后，有效質量系數仍然難以達到90%，因此，改用多重里茲向量法，經計算后可滿足有效質量系數的計算要求。對比計算結果，考慮豎向地震作用之后，長懸臂構件的內力略有增加，增量在2%以內，基本可以不用考慮。

預應力型鋼混凝土梁的注意事項。在混凝土梁內，預應力鋼筋是主要受力構件。施工中當其他工種與預應力筋發生矛盾時，應保證預應力鋼束束形的正確。當遇上型鋼時，在構件布置階段就需考慮兩者的避讓，型鋼梁、柱優先選用窄翼緣的類型，預應力束開孔位置應避開柱翼緣,在腹板位置開孔。加工時需保證型鋼開孔位置準確，避免現場擴孔。

與長懸臂混凝土梁相鄰的框架柱，抗震等級按提高一級采用。本工程中，底部兩層的外圍框架柱，抗震等級提高至一級。三層以上部分的外圍框架柱，抗震等級提高至二級。對于埋設十字型鋼的框架柱，節點做法需要特別注意，柱內箍筋以不穿過型鋼為原則進行布置。根據型鋼位置，內部設置不穿過型鋼的八字形拉筋。遇到預應力鋼絲束，采用在十字型鋼的腹板開孔做法,波紋管能通過即可，保證預應力鋼束的貫通。

5 結論

本工程采用預應力混凝土梁和預應力型鋼混凝土梁的懸臂結構，達到了建筑立面外挑6.3 m的要求，取得了良好的經濟效益。

對于外挑結構方案,應進行多方案比選后確定，在外挑4.5～7.5 m范圍，選用懸臂梁方案較為合適。對于外挑結構，應適當加強外圍框架截面，提高結構抗扭剛度。對與長懸臂梁相連的豎向構件，宜提高其抗震等級。