某圓形展廳懸挑結構設計

程 曦

(中國電子工程設計院有限公司，北京 100142)

0 引言

隨著我國科技的進步與發展，越來越多的復雜高層建筑中采用懸挑結構。采用鋼桁架結構進行懸挑，其優點為造型簡單、跨度合理、經濟性好。本文針對某復雜建筑單體中的懸挑結構，進行了方案比選及結構設計分析，探討類似項目的結構設計流程。

1 工程概況

某復雜單體建筑含局部圓形展廳，展廳面積800 m2，下方為坡屋面，建筑效果圖如圖1所示。

整體建筑采用鋼筋混凝土框架—抗震墻結構體系，主要結構屋面高度36 m，地上8層，地下1層。地下1層層高6.0 m，地上各層層高均為4.5 m。大跨度展廳位于該建筑物的角部，采用鋼桁架結構體系，展廳標高18.000，跨度32 m，下方為坡屋面，展廳外側橢球型造型采用肋環形單層網殼。展廳平面及立面布置圖如圖2，圖3所示。

2 結構選型

針對展廳建筑平面，擬選用如下幾種結構型式：

1)結構方案1：采用六榀桁架，如圖4所示。該結構方案優點為受力關系明確，軸以下大跨度懸挑結構僅采用兩榀桁架支撐，造型簡單，?軸位置有結構構件，對大跨度桁架抗傾覆有利。缺點為GL1截面過大，因幕墻造型為橢球型，邊緣處高度很小，GL1對建筑造型有較為明顯的影響，?軸結構構件對建筑外觀有些許影響，故未采用該方案。

2)結構方案2：采用八榀桁架，如圖5所示。該結構方案優點為有效減小了GL1的截面，對建筑外觀無影響，增加的桁架4使得②軸～④軸間鋼梁跨度明顯減小，可以靈活布置次梁位置，躲開建筑洞口區域。缺點為?軸結構構件對建筑外觀有些許影響，且展廳最南側與最北側端點位移相差較大，對屋蓋鋼結構的初始位移較為不利，故未采用該方案。

3)結構方案3：采用12榀桁架，如圖6所示。該結構方案優點為取消?軸結構構件，建筑造型美觀，展廳最南側與最北側端點位移相差較小，對屋蓋鋼結構的初始位移有利。展廳內部鋼次梁跨度較小，建筑洞口布置靈活，樓板分隔較小，多數不需要采用臨時支撐，方便施工。采用該方案作為最終設計方案并針對展廳豎向構件進行抗傾覆和穩定性驗算。

3 設計參數

本場地抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度0.05g，建筑抗震設防類別為標準設防類，建筑場地類別Ⅱ類，設計地震分組第一組，特征周期0.35 s。

根據建筑結構做法及業主使用要求，恒載為3.0 kN/m2(不計入板上隔墻荷載，結構自重軟件自動計算)，活載考慮人員密集的可能，采用3.5 kN/m2，下掛幕墻結構為1.0 kN/m2。

基本風壓0.30 kN/m2(50年一遇)，驗算舒適度用風壓0.20 kN/m2(10年一遇)，地面粗糙度類別為B類。

根據GB 50009—2012建筑結構荷載規范，本地區不考慮雪荷載。

考慮鋼結構對溫度作用比較敏感，考慮基本氣溫，合龍溫度，結構最高最低溫度，當地氣溫比較均勻，最后確定結構最大溫升溫降為16 ℃，-12 ℃。

4 結構整體計算

展廳桁架采用上下弦桿+斜腹桿+豎腹桿型式，為保證水平力傳遞，上下弦桿均伸入支座內一跨。為提高整體穩定性，減小懸挑長度，?軸與軸之間設置兩榀空腹桁架。

桁架及次梁均采用H型鋼，最高截面高度700 mm，樓板采用閉口型壓型鋼板，柱采用型鋼混凝土柱(內含十字型鋼)。桁架剖面示意圖如圖7所示。

在地震作用下，采用振型分解反應譜法對結構進行分析(程序自動計算振型個數確保參與質量系數需達到總質量的90%以上)。考慮水平地震作用和豎向地震作用。

恒活、地震作用下結構最大位移見表1。

懸挑桁架最大位移57.82 mm，滿足桁架撓度要求，懸挑下弦桿最大應力比0.68。

表1 結構最大位移 mm

5 活荷載不利布置

由于展廳南北兩側懸挑長度相差較大，故考慮最不利工況：活荷載按照懸挑較大側(南側)滿布，懸挑較小側為0(見圖 8)。

考慮活荷載不利布置后，展廳位移情況見表2。

表2 結構最大位移(活荷載不利布置) mm

選取其中一根構件，進行軸力變化對比：Z1軸力變化為：4 077.4(正常情況)；3 879.3(活荷載不利布置)。

6 展廳抗傾覆驗算

7 結構加強措施

由于結構下方為坡屋面，導致展廳下方兩層層高范圍內無法增設有效結構構件與主體結構拉結。故采取如下加強措施，以提高結構的安全性和可靠性：

1)在樓電梯間周圈設置核心筒，核心筒端頭及轉角處均采用約束邊緣構件，并在展廳標高處設置型鋼混凝土梁，保證水平力的有效傳遞；

2)型鋼混凝土柱與鋼框梁交接處，采用柱縱筋穿筋孔穿過并補強的施工做法，保證豎向力的連續；

3)型鋼混凝土柱鋼筋嚴禁采用搭接連接；

4)桁架下弦設置水平撐，減小下弦桿平面外計算長度；

5)樓板采用150 mm厚閉口型壓型鋼板，增加整體剛度。

8 結論

1)對于展廳結構的結構設計，需結合建筑使用功能及平面布置，考慮經濟性、受力合理及施工方便等多個因素，綜合確定結構方案；對于次結構的布置也應進行優化比較，考慮樓板跨度及結構截面尺寸等因素；

2)對于大跨度懸挑結構，需考慮豎向地震作用對結構的影響；對于6度地區，地震作用影響總體較小，恒活作用為控制項；

3)由于鋼結構對溫度作用比較敏感，需考慮溫度作用對結構的影響；

4)對于不對稱展廳結構，需考慮活荷載不利布置工況并進行抗傾覆驗算；

5)采取有效的結構加強措施，確保結構在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下的安全性與穩定性。