某大跨懸挑科學實驗樓主體結構設計分析

單玉坤 張巖壽 李 昕

(1.天津大學建筑設計研究總院有限公司，天津 300017； 2.中建三局集團有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引言

隨著經濟的發展及人們對物質和文化生活要求的不斷提高，人們對各種建筑的要求越來越高，建筑師為了更好的立面效果，經常采取大跨度懸挑的設計方案，給結構工程師不斷帶來新的挑戰。不同懸挑結構方案對于結構安全、經濟性、施工難易程度影響非常大，本文通過某已經實際完成的工程進行分析，給出了本工程的設計思路及設計過程。建筑效果圖如圖1所示。

1 工程概況

本工程為科學實驗樓，地上5層，地下1層，建筑高度23.80 m，建筑面積12 692.7 m2，地上建筑面積10 783.8 m2，地下建筑面積1 908.9 m2。立面設計著力于體現企業形象，主要出入口1層～3層建筑凹進，4層，5層懸挑與主平面齊平，同時石材與玻璃幕墻的虛實結合，加之以條窗的陣列秩序感，塑造出了現代、簡約明快的建筑風格特點，與科學實驗性質的建筑使用功能相呼應，彰顯出了嚴謹理性的建筑氣質。

結構設計基準期及設計使用年限均為50年，建筑結構安全等級二級，建筑抗震設防類別為標準設防類，抗震設防烈度7度(0.15g)，工程設計地震分組為第二組，場地類別Ⅲ類。主體結構采用鋼筋混凝土框架結構，計算嵌固端取地下室頂板，框架梁、框架柱抗震等級均為二級。主要軸網尺寸為8.4 m×8.0 m，4層，5層懸挑最大跨度8.4 m，懸挑部位功能為開敞辦公區。結合建筑功能，同時綜合造價、施工等方面因素，最終選用鋼筋混凝土斜撐方案。考慮受力兼顧建筑使用，斜撐未設置于懸挑端部，斜撐角度控制在45°左右，另外在端部設置柱子，使結構形成桁架，提高了結構整體剛度。

計算模型及簡圖見圖2,圖3。

2 方案對比及整體分析

2.1 懸挑部分方案對比

4層，5層大跨度懸挑部分選用了以下4種方案進行了對比分析：

1)懸挑梁采用型鋼混凝土梁；2)懸挑梁采用預應力混凝土梁；3)增設鋼支撐；4)增設混凝土支撐。

經過計算，采用型鋼混凝土或預應力混凝土懸挑梁，梁高需要1 200 mm，對于建筑層高有較大影響，且因增加了工序導致施工周期長、施工難度稍大，不予采用；鋼支撐或混凝土支撐方案均可滿足計算要求，同時建筑根據裝飾措施可解決支撐帶來的不利影響，考慮到鋼結構支撐構造節點復雜、施工困難，最終選用鋼筋混凝土支撐方案。

2.2 結構整體分析

結構分析采用盈建科建筑結構計算軟件進行計算，按照平面不規則進行地震力組合分析，考慮了平扭耦連計算的扭轉效應及雙向地震作用；對于4層，5層大懸挑相關區域樓板、2層共享大廳洞口周邊樓板，尚考慮樓板彈性，按照彈性樓板進行計算分析，能夠準確反映地震作用下結構整體性能；整體計算時考慮施工次序的影響。

1層,2層及懸挑部位1層～5層框架柱截面750 mm×800 mm，3層～5層框架柱截面為650 mm×700 mm，懸挑部位邊柱截面500 mm×700 mm；內部框架梁主要截面為300 mm×750 mm，外圈框架梁截面為300 mm×1 200 mm；斜撐截面為500 mm×600 mm。2層共享大廳洞口周邊樓板、共享大廳洞口上方3層樓板及懸挑相關區域樓板均為150 mm，并采用彈性板和剛性板包絡計算分析。

經計算，結構的第一周期為平動周期，振型曲線光滑正常，扭轉/平動周期比、剪重比、剛重比等指標均滿足規范[1,3]要求，結構水平位移滿足GB 50011—2010建筑抗震設計規范[1]的要求。結構計算指標及主要計算結果詳見表1，表2。

表1 計算基本信息表(一)

表2 計算基本信息表(二)

3 結構設計重點、難點分析

3.1 施工次序

與現場實際施工相結合定義合適的施工次序計算非常重要。因懸挑端部設置了吊柱，計算程序默認3層、4層為一個施工次序，5層為一個施工次序，但實際整個4層平面僅存在兩根吊柱，這樣將兩層作為一個施工次序進行施工極不合理。另外，懸挑部分為4層、5層兩層，整體形成空間桁架后受力更為有利。故設計時需要按照構件手工指定施工次序，將懸挑區域3層～5層相關區域設定為一個施工次序，另外須在施工圖中予以詳細注明并在交底過程中與施工單位強調落實。經過兩個方法對比，相關區域梁柱及支撐配筋均有比較大的變化。

3.2 彈性樓板包絡設計

JGJ 3—2010高層建筑混凝土結構技術規程[2]3.4.6條規定：當樓板平面比較狹長、有較大的凹入和開洞而使樓板有較大削弱時，應在設計中考慮樓板削弱產生的不利影響。第5.1.5條進一步規定：當樓板會產生較明顯的面內變形時，計算時應考慮樓板的面內變形或對采用樓板面內無限剛性假定計算方法的計算結果進行適當調整。對于2層樓板開大洞的洞口周邊樓板、洞口上方3層樓板及懸挑相關區域樓板斜撐區域樓板按照彈性板計算分析，并根據計算結果對樓板配筋進行調整，并采用加厚樓板且雙層雙向配筋的構造措施。

3.3 局部構件配筋

懸挑部位混凝土斜撐與框架柱、框架梁相交，節點鋼筋復雜，鋼筋數量不宜過多，此范圍均采用大直徑鋼筋并按照實際比例進行鋼筋放樣，保證施工可行性。

4 結論

通過對某大跨懸挑科學實驗樓地上結構進行分析，從懸挑部分方案比選、主體結構設計、技術重點難點分析方面進行了介紹和論述，相關結論如下：

1)針對不同需求的建筑，大懸挑結構采用混凝土斜撐方案切實可行，不增加額外工序，經濟性好，施工簡單。

2)采用混凝土斜撐及空間混凝土桁架方案進行設計時，設置合理的施工次序對于計算結果影響非常明顯，須結合實際情況正確考慮。

3)對應開大洞洞口相鄰樓板及特殊受力部位的樓板，應采用彈性樓板進行復核計算，并采取相應構造措施加強。

4)特殊復雜節點需要考慮施工實際情況，進行必要的優化設計以保證結構安全可靠、簡單易行。