某電廠集控樓懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案分析

王廷偉 靳海芬

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100089)

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷更新，能夠充分利用空間資源、便于設(shè)計(jì)出創(chuàng)造性建筑外觀的懸挑結(jié)構(gòu)越來(lái)越受到青睞，例如CCTV總部大樓、上海世博會(huì)中國(guó)館、世博會(huì)城市最佳實(shí)踐區(qū)C1場(chǎng)館、中國(guó)科技館二期工程、國(guó)家圖書(shū)館等都采用了懸挑結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)立面和平面的凹凸造型，并取得了理想的效果。這些懸挑結(jié)構(gòu)的懸挑跨度越來(lái)越大，應(yīng)用方式越來(lái)越多，可以說(shuō)，懸挑結(jié)構(gòu)在建筑選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

懸挑結(jié)構(gòu)是指一端支撐在豎向支撐構(gòu)件上，另一端向外延伸挑出支撐構(gòu)件的結(jié)構(gòu)。懸挑結(jié)構(gòu)由于懸挑構(gòu)件的存在，結(jié)構(gòu)上部體型大于下部體型，災(zāi)害發(fā)生時(shí)往往由于懸挑構(gòu)件根部的失效，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞。因此，懸挑結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)予以足夠的重視，需要通過(guò)不同方案的對(duì)比分析，選擇出使懸挑構(gòu)件傳力最佳、結(jié)構(gòu)整體受力合理的優(yōu)化方案。

本文針對(duì)某電廠集控樓懸挑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選型，對(duì)不同跨度懸挑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，確定不同跨度懸挑結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

2 工程概況

某電廠二期工程擴(kuò)建2×1 000 MW級(jí)二次再熱超超臨界機(jī)組，集控樓采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，建筑總高度24.5 m，剖面圖如圖1所示。為充分利用建筑空間、優(yōu)化建筑立面設(shè)計(jì)，建筑東立面12.45 m以上、西立面23.3 m層采用懸挑結(jié)構(gòu)，懸挑跨度分別為4.8 m，2.625 m，其中23.3 m層結(jié)構(gòu)布置圖如圖2所示。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本參數(shù)如下：場(chǎng)地類別Ⅰ1，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.10g，基本雪壓0.4 kN/m2，基本風(fēng)壓0.6 kN/m2。

3 懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

3.1 跨度較小的懸挑結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

該集控樓西立面屋面處采用跨度為2.625 m的懸挑結(jié)構(gòu)，以形成一個(gè)倒立三角形的外觀造型。根據(jù)構(gòu)件的不同布局、跨距、傳力路徑，考慮以下兩種方案：

方案一：設(shè)置多根懸挑梁，形成一種密梁?jiǎn)蜗虬逶O(shè)計(jì)方案，傳力路徑如圖3所示。通過(guò)計(jì)算，這種情況下懸挑梁截面需要做到300 mm×500 mm，樓板做到100 mm厚可滿足承載力設(shè)計(jì)要求，由于布置了較多懸挑梁，施工不便的同時(shí)，不符合節(jié)材的綠色設(shè)計(jì)理念。

方案二：只在框架柱的位置處布置懸挑梁，形成一種懸挑梁較少的疏梁?jiǎn)蜗虬逶O(shè)計(jì)方案，傳力路徑如圖4所示。這種方案樓板的跨度小于3 m，屬于常見(jiàn)的樓板跨度，通過(guò)計(jì)算，這種情況下懸挑梁截面需要做到300 mm×700 mm，樓板做到120 mm厚可滿足承載力設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)參數(shù)都屬于常規(guī)設(shè)計(jì)。

綜上所述，對(duì)于跨度較小的鋼筋混凝土懸挑梁，為了保證不設(shè)置過(guò)多的懸挑梁，宜采用方案二，即疏梁?jiǎn)蜗虬宸桨傅脑O(shè)計(jì)，這種方案實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自身功能的前提下，能夠保證懸挑構(gòu)件截面尺寸適中。

3.2 跨度較大的懸挑結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化

該集控樓建筑東立面12.45 m以上采用跨度為4.8 m的懸挑結(jié)構(gòu)。根據(jù)構(gòu)件的不同布局、跨距、傳力路徑，考慮以下三種方案：

方案一：只在框架柱的位置處布置懸挑梁，形成一種跨度較大的單向板設(shè)計(jì)方案，傳力路徑與圖4相似。這種方案由于樓板跨度大，導(dǎo)致樓板厚度需要做到200 mm以上，懸挑梁截面需要做到400 mm×1 500 mm以上，嚴(yán)重影響該樓層的凈空高度。

方案二：增設(shè)懸挑梁，形成一種跨度較小的單向板設(shè)計(jì)方案，傳力路徑與圖3相似。這種方案由于增加了懸挑梁的個(gè)數(shù)，可以取消封邊梁的設(shè)置，同時(shí)樓板厚度做到120 mm、懸挑梁截面做到

300 mm×800 mm即可滿足承載力要求，只是在滿足單向板設(shè)計(jì)原則的前提下需要設(shè)置較多的懸挑梁，不符合節(jié)材的綠色設(shè)計(jì)理念。

方案三：增設(shè)懸挑梁，形成一種雙向板設(shè)計(jì)方案，傳力路徑如圖5所示。該種方案中，有30%左右的樓面荷載直接傳給了根部大梁，減小了懸挑部分承受的荷載：與方案一相比，這種方案由于增加了懸挑梁的個(gè)數(shù)，可以減小懸挑梁截面尺寸及樓面板厚度；與方案二相比，可以減少懸挑梁個(gè)數(shù)。

3.3 不同懸挑方案對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能影響分析

綜上所述，對(duì)于跨度較大的鋼筋混凝土懸挑梁，為了保證梁的尺寸不至于過(guò)大，同時(shí)為了懸挑梁的個(gè)數(shù)不宜太多，宜采用方案三，即雙向板方案的設(shè)計(jì)，這種方案可以有效減小梁的截面尺寸、配筋數(shù)量及樓板厚度，同時(shí)避免設(shè)置過(guò)多的懸挑梁。

本節(jié)選取4.8 m跨懸挑結(jié)構(gòu)，將方案一和方案三對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響進(jìn)行分析，不同方案下的結(jié)構(gòu)模型如圖6,圖7所示，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 4.8 m跨不同方案對(duì)比分析

周期/sX向周期Y向周期Z向周期扭平比方案一1.538 9711.385 9421.211 1670.79方案三1.392 1471.167 7841.072 8310.77

從表1可以看出，方案三的周期小，剛度大，扭平比小，抗扭能力強(qiáng)，對(duì)結(jié)構(gòu)整體受力性能更為有利。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某電廠集控樓懸挑結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)不同方案間的對(duì)比，得出如下結(jié)論：

1)對(duì)于跨度較小的懸挑結(jié)構(gòu)，宜采用設(shè)置較少懸挑梁的單向板方案；

2)對(duì)于跨度較大的懸挑結(jié)構(gòu)，宜采用雙向板方案。