柯春明 范一江

华东建筑设计研究院有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230086

1 工程概况

本工程坐落于合肥市高新区，方兴大道以西、望江西路以北，属具备多项不规则的超限建筑。本工程北部存在大悬挑，悬挑尺寸为16.6m。本文主要讨论16.6m悬挑钢桁架部分的设计与优化，其整体效果图详图1。

图1

本工程北侧大悬挑部分采用钢桁架结构，斜柱及相邻柱采用型钢混凝土柱，楼面梁采用钢筋混凝土梁(其中北侧大悬挑部分梁采用钢梁、东西向大悬挑梁采用型钢混凝土梁），楼盖采用现浇混凝土板（大悬挑部分拟采用轻质混凝土组合楼板）。

2 悬挑形式的方案对比

本工程北侧悬挑尺寸达16.6m，采取三种受力方案如下：

方案一，悬挑部分采用钢桁架，每榀均满设斜拉杆，悬挑根部柱间设置交叉斜撑，顶部斜撑往里伸入一跨，详图2；方案二，悬挑部分采用钢桁架，每榀仅设两道斜拉杆，悬挑根部柱间设置单向斜撑，详图3；方案三，悬挑部分采用钢桁架，每榀仅设两道斜拉杆，悬挑根部柱根据恒+活受力情况设置单向斜撑（拉杆），边跨与中间跨斜撑二~三层方向不同，详图4。

图2 方案一

图3 方案二

图4 方案三

根据三种方案情况下的桁架轴力图分析，方案一悬挑部分应力较小，方案二，底部三层受力较为均匀，方案三中杆件受力方向变换斜撑后仍有杆件受压。方案一、二按拆除构件法复核连续倒塌性能，均未出现连续倒塌情况，综合各种因素，结构方案最终采用了方案一[1]。

3 长悬挑钢桁架补充分析

3.1 长悬挑整体倾覆分析

本工程为超长悬挑结构，端部最大悬挑长度为16.600m，且本工程楼板中间开大洞，从安全角度考虑，取悬挑部分及根部三跨进行局部抗倾覆分析。倾覆分析时，不考虑有利部分楼板处附加恒载及活载，仅考虑自身重量，倾覆点为最北侧一排柱脚位置。倾覆分析计算时，仅取悬挑部分及根部3跨模型。

从计算得出，风荷载引起的倾覆力矩数值较小，此处为简化分析，可不考虑。悬臂端倾覆主要考虑沿悬臂方向（Y方向）倾覆，根据倾覆力矩计算数值，与竖向荷载及竖向地震作用叠加即可判断出柱顶内力情况。本工程倾覆点为悬挑根部最外排柱，为简化计算考虑，将Y向地震倾覆力矩计入模型中考虑，悬挑最大尺寸为16.6m，假想竖向力输入在悬挑最远端，则竖向力为7.847E+005/16.6=47271KN。根据柱脚反力计算结果，可以看出，悬挑结构在中震作用下倾覆力矩较大，仅靠自身重量不能完全平衡悬挑端产生的力矩，且悬挑根部第三排柱截面受拉，故后排柱采用型钢砼柱，此计算结果作为桩基抗拔设计依据。

3.2 长悬挑受力补充分析

结构整体分析时，楼板按刚性假定；大悬挑构件计算配筋时，按斜杆单元模拟悬挑部分，楼板按弹性假定，楼板荷载及风荷载通过蒙皮倒入到周边梁上。

悬挑部分配筋按中震弹性考虑，经计算，悬挑部分应力比较小，满足规范要求。为进一步弄清悬挑部分受力情况，本工程采用大型通用有限元软件SAP2000程序对长悬挑做补充分析；从图可以看出，悬挑根部柱轴向压力值均很小，为安全起见，柱采用型钢混凝土柱，且型钢通长设置。从不显示柱后的内力图中可以看出，悬挑桁架在混凝土主体内顶层位置产生较大拉力，其他楼层处为轴压力；设计时悬挑根部两跨梁采用型钢混凝土梁，纵筋通长设置，并严格控制裂缝的宽度，楼板适当加厚。

从弯矩图看出，悬挑部分在内部第二跨梁产生较大弯矩，现柱及梁均为型钢混凝土构件，能较好抵抗弯矩。如剪力图所示，各层端部剪力均较大，此位置梁柱均采用型钢混凝土构件，可承受较大剪力。主体桁架挠度仅为35.6mm,小于规范L/200=83mm要求,但考虑到使用要求，在桁架构件制作过程中，要求桁架自身起拱L/600。

3.3 斜柱及拉梁受力分析

考虑到斜柱受力较为复杂，斜柱采用设置型钢的混凝土柱，与斜柱相连的梁采用设置型钢的混凝土梁，全部梁内拉力由型钢承受。

N1为下层柱轴力，各种工况组合下最大轴力约为12000KN，拉力考虑仅由与斜柱顶连接的梁承担，经计算水平拉力T为1920KN，型钢梁内型钢截面为H700x250x16x25，抗拉强度值为295Mpa，型钢拉力最大设计值为6798KN，拉力T远小于型钢最大设计拉力，能达到要求；下面拉梁型钢截面与斜柱顶拉梁截面相同，同时软件对拉梁按拉弯构件进行分析，为保障拉梁的安全性，斜柱及拉梁均按中震弹性要求设计[2]。

本工程悬挑较大，北部悬挑钢桁架的根部均选取型钢砼梁，型钢承担全部拉力，东西向悬挑计算时不考虑楼板承担拉力，仅由拉梁内型钢承担，且型钢伸入内部一跨，钢筋之间均为焊接，禁止搭接。为保证型钢拉力传递，型钢与柱之间加强焊接连接。

3.4 施工阶段分析

本工程长悬挑部分为施工阶段分析的关键，全楼共7层，混凝土主体部分施工次序可按施工模拟3考虑（即逐层施工），悬挑部分为钢结构桁架，通过主体部分设置型钢混凝土柱，与钢桁架联系，实际施工为型钢混凝土带部分悬臂梁段，通过悬臂梁段，与桁架焊接连接。本工程最长悬挑尺寸为16.600m，考虑悬臂梁段后尺寸约为15m，故考虑分部运输，现场拼接后按单榀桁架一次吊装，吊装完成后铺设次梁及压型钢板组合楼板，从施工工艺及流程，悬挑部分可作为施工阶段分析最后一个施工步骤，钢桁架悬挑部分受力分析时在YJK软件中采用空间结构建模，空间楼层被自动放到最后一个自然层，基本与实相符。施工过程中，应依据具体的施工方案，详细进行施工验算。

3.5 楼板应力分析

从前面计算可知，悬挑部分产生的拉力最大处为7层楼面，本工程钢桁架采用压型钢板组合楼板，组合楼板施工顺序在整体施工后，与主体混凝土屋面并非同时施工，故压型钢板与普通混凝土楼板间连接较弱，设计时从主体楼面梁预留钢筋，压型钢板混凝土施工时最后浇筑连接位置，以有效减少重力荷载产生的楼板拉应力。

大洞口周围楼板应力选取YJK软件分析，楼板按弹性板6定义。从中震时楼板应力分析得出，楼板应力在局部洞口周边、柱顶处、顶层长悬挑附近楼板应力较大，但基本均未超过2ftk。

3.6 楼盖舒适度验算

根据《高规》3.7.7条，楼盖结构应具有适宜的舒适度。楼盖结构的竖向振动频率不宜小于3HZ，竖向振动加速度峰值不应超过规范限值。楼盖结构竖向振动加速度可按《高规》附录A计算[2]。

本工程北侧悬挑部分因采用钢桁架方案，竖向刚度相对较大，竖向整体振动的频率为2.77Hz,略小于3Hz。最大峰值加速度为0.041m/s2，计算达到规范要求[3]。

4 总结

综上所述，在大悬挑设计中，充分利用概念设计方法，进行多方案对比，选择合适的结构方案；除主楼超限计算分析外，运用SAP2000、YJK软件补充局部悬挑梁应力、倾覆、楼板应力、防倒塌、舒适度、竖向地震等计算分析；数据表明，各项指标均达到规范的有关要求，对于计算分析中的薄弱部位及关键构件，均针对性加强，保证了结构安全度。本悬挑结构是可行、安全的。