王世宇 唐思贤 史俊涛

(贵州大学土木建筑工程学院，贵州贵阳 550003)

1 概述

近年来，由于建筑技术、建筑材料的发展及复杂建筑的功能要求，超大跨度悬挑结构覆盖跨度大，承载力高，造型优美且富有艺术表现力，在实际工程中得到广泛应用。大跨度悬挑结构由于其特殊的结构形式往往会产生较大内力，引起悬挑端极大的竖向位移，对结构的安全性、适用性、耐久性造成一定的影响。本文以遵义市规划展览馆为研究对象，对超大跨度悬挑混凝土框桁架杂交结构进行静力分析。遵义市规划展览馆是遵义市重点控制工程之一，项目主体展馆部分平面尺寸为66m×77m，地上2层，建筑总高度为18.6m。展馆主体结构采用下部收进上部大悬挑结构(见图1，图2)，体系的竖向刚度明显不规则，展览馆主体结构为混凝土框桁架杂交结构，悬挑部分外墙是由主体部分悬挑出的长度为22m钢筋混凝土桁架构成，使得结构体系在静力及地震作用下，动力响应性能成为结构体系安全控制的关键因素。

2 有限元模型

模型悬挑部分上部屋面及下部楼面板均采用密肋楼板，中部墙面采用混凝土桁架(见图3)。结构楼面板及屋面板均采用弹性板单元，桁架上下弦杆及竖向腹杆均采用弹性梁单元，斜腹杆采用杆单元，上、下弦杆截面尺寸为600mm×800mm，竖向腹杆及斜向腹杆截面尺寸为600mm×600mm。所有构件均采用C35级混凝土，弹性模量 3.15E10N/m2，泊松比 0.21;密度为2500kg/m3。楼面荷载恒荷载 2.0kN/m2、活荷载 5.0kN/m2;屋面载荷恒荷载4.0kN/m2、活荷载2.0kN/m2，采用1.2倍恒载 +1.4倍活载作为设计值。

3 超大悬挑混凝土框桁架结构悬挑桁架体系优化选型及静力分析

为研究悬挑部分结构对整体结构静力特性的影响，本文通过调整悬挑混凝土桁架腹杆方向、悬挑桁架节间距、悬挑部分楼板厚度等参数来对该结构进行静力特性分析，具体采用如下7个整体结构计算模型，模型示意图见图4。

图1 2层楼面结构布置图

图2 HJ-1示意图

模型1:悬挑部分桁架采用6节桁架，板厚取120mm，斜腹杆向外倾斜。

模型2:悬挑部分桁架采用6节桁架，板厚取120mm，斜腹杆向内倾斜。

模型3:悬挑部分桁架采用6节桁架，板厚取120mm，斜腹杆米字形倾斜。

模型4:悬挑部分桁架采用6节桁架，板厚取100mm，斜腹杆向外倾斜。

模型5:悬挑部分桁架采用6节桁架，板厚取140mm，斜腹杆向外倾斜。

模型6:悬挑部分桁架采用7节桁架，板厚取120mm，斜腹杆向外倾斜。

模型7:悬挑部分桁架采用5节桁架，板厚取120mm，斜腹杆向外倾斜。

根据结构受力特点，本文选取悬挑结构中悬挑桁架受力最不利的3根弦杆梁(1号杆、2号杆、3号杆)，2根斜腹杆(4号杆、5号杆)进行内力分析比较(见图4模型1)。在设计规范规定的荷载组合工况下，结构构件静力特性见表1。

表1 模型(1～7)中HJ-1最大挠度及内力

图4 模型示意图

由表1分析可知:悬挑桁架腹杆倾斜方式取为米字形时悬挑桁架最大挠度最小;随板厚增加最大挠度相应减小，但当板厚达到120mm时趋于稳定;随节间距增加悬挑部分最大挠度相应增加，悬挑节数取到6节时幅度变化可以忽略。

结构悬挑桁架内力分布规律，结构弦杆承受力由上向下由拉力变化为压力，承受剪力及弯矩自上而下增加，因此1号杆承受拉力最大，3号杆承受压力、剪力、弯矩均为最大，斜腹杆中上层承受压力小于下层腹杆，4号杆。

上弦杆(1号杆)承受内力以轴向拉力为主，剪力及弯矩相对较小。上弦杆在腹杆倾斜方向呈米字形承受拉力最小;且内力随板厚增加，上弦杆承受拉力不断减小，但减小幅度较小;悬挑节数少于6节时1号杆内力明显增加。

下部弦杆(3号杆)承受内力轴向压力、弯矩及剪力在弦杆中最大，3号杆轴向压力、弯矩及剪力均在斜腹杆呈米字形时最小且明显优于其他两种模型;随着板厚增加，3号杆内力相应增加，但幅度较小，可以忽略;随节间距增大，3号杆轴向压力相应增加，而剪力及弯矩相应减小。

斜腹杆(4号杆)随板厚增加，其所承受轴力相应增加，当悬挑桁架节数取为6节时结构承受轴向压力最小。

综上所述，结构悬挑桁架腹杆倾斜方式取为米字形，板厚取为120mm，节数取为6节时结构静力特性最优。

4 结语

以遵义市规划展览馆工程为背景，对结构悬挑桁架进行了优化选型，并对结构的静力以及动力特性进行了分析，得出以下结论:1)在静力作用下，力学模型计算悬挑桁架单元的最大挠度变形及承受内力均满足规范要求，可见悬挑22m长的混凝土桁架结构在理论上应该是没有问题的。2)进行优化选型，对比各模型结构悬挑部分最大挠度、悬挑部分桁架的最大拉应力及最大压应力等指标，从而得出结构悬挑桁架部分桁架腹杆采用米字形布置、悬挑部分板厚采用120mm及悬挑部分桁架采用6节时，结构不仅满足安全承载力要求，还能很好控制结构最大竖向位移。3)悬挑混凝土桁架中除了腹杆倾斜方向对结构静力特性影响显著外，其他两种因素悬挑部分板厚、悬挑桁架节间距对结构静力特性影响均较小。

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