某工程的混凝土长悬臂结构设计

唐勇诚

摘 要：结合工程事例，对地震高烈度区的大跨度钢筋混凝土悬挑梁，采用预应力技术和型钢混凝土组合技术，解决悬挑梁的结构受力和梁的变形、挠度控制问题。主要介绍预应力悬挑梁的结构计算情况，对悬挑梁的控制参数、内力计算、抗裂验算、变形验算和抗震验算等提出了设计建议。

关键词：混凝土长悬臂；预应力结构；型钢混凝土组合结构设计

随着我国经济的快速发展，现代高层建筑如雨后春笋般地大量出现在我们的城市中，其中一些凭借着巨大的尺度及其震撼人心的视觉冲击力，影响着周围的环境与事务，甚至成为一个城市的形象标志。由于现代建筑功能的多样性，建筑造型的奇特性，使新材料、新结构、新技术的特性在结构设计中得以发挥和应用，大跨度悬挑结构已經成为解决结构专业对建筑设计提供复杂方案可实现性的重要技术手段之一，有粘结预应力技术和型钢混凝土组合结构技术的引入更为悬挑结构向更大跨度的延伸提供了安全、可靠、先进、合理的技术上的有力保证。地处地震高烈度区的大跨度悬挑结构，不仅要充分考虑水平地震力作用对其产生的破坏效应，还应根据《高层建筑混凝土结构技术规程》第4.3.2.3条，计算竖向地震作用对其产生的破坏效应，以保证建筑结构的安全。下面以位于某8度区的某科技公司商务楼为实例，对混凝土大悬挑的设计方法进行讨论。

1 工程概况介绍

本工程为某科技公司商务楼，位于某市级经济技术开发区兴国路西侧2号地块，兴国路与龙船坞路交叉口西北角。该地块场地较平整，南北长66m，东西宽93m，楼电梯间、强弱电井等附属用房集中布置于核心筒，塔楼标准层办公房间沿核心筒周围布置。地下1、2层为六级人员掩蔽部和六级人防车库及设备用房，平时为汽车库。1～3层（包括东侧裙房）为商业用房，4～23层为办公用房，24层为员工食堂、会议及多功能、活动室，25层为机房层。

本工程总用地面积6665.2m2，总建筑面积36888m2；地下10420m2，地上26468m2，占地面积2480.4m2，其中商业部分建筑面积7152m2，办公部分建筑面积19316m2，其余建筑面积10420m2。地下二层，地上二十五层，地下1、2层层高4.5m，1～3层层高4.9m，4～11层层高3.9m，12～23层层高3.8m，24层层高4.7m，25层层高3m，建筑总高度99.650m。

本工程结构结构采用钢筋混凝土框架—核心筒结构体系，楼面结构采用现浇混凝土梁板体系，建筑结构安全等级为二级，基础设计等级为甲级，建筑防火等级为一级，结构设计使用年限为50年，建筑抗震设防类别为标准设防类（乙类），抗震设防烈度为8度（设计基本地震加速度0.20g），建筑场地类别IV类，设计地震分组为第一组，结构抗震等级：框架一级，核心筒一级。基本风压0.7kN/m2，基本雪压0.45kN/m2，地基承载力特征值110kPa。

结构沿竖向由底部至17层外圈框架逐渐收进，再由17层至顶层逐渐外挑（层层由挑梁外挑），两主轴方向顶层（96.200m）相对17层（64.900m）挑出4.5m，四角部挑出达6m，建筑造型见建筑效果图。经过各种方案的优化比较，决定22层（83.900m）和23层（87.700m）楼层采用型钢混凝土组合挑梁，24层（91.500m）和25层（96.200m）楼层采用有粘结预应力混凝土挑梁，以解决建筑造型上部逐层外挑的问题。

2 悬挑梁的结构设计

预应力混凝土构件和型钢混凝土组合构件在控制悬臂梁的挠度和裂缝方面有其独特的优越性，当然非预应力钢筋在受力和变形裂缝控制方面也发挥了其应有的作用。

2.1 梁控制参数

应用PKPM软件中的SATWE程序对结构进行整体计算，求出预应力梁所承受的恒载和活载作用下的内力标准值。悬挑梁中配置预应力筋主要用于控制梁的裂缝和挠度，而强度主要由非预应力普通钢筋承担。

悬挑梁的混凝土强度等级取C35，普通受力钢筋和箍筋均采用HRB400级钢筋，预应力筋采用直径15.2mm的钢绞线，fptk=1860MPa。悬挑梁的跨度分别为6m和4.5m，梁的截面尺寸分别为400×750和400×600。预应力筋呈水平直线布置，一端张拉，控制点到梁顶的距离为150mm。

2.2 梁内力计算

预应力筋的张拉控制应力σcon=0.7fptk=1302MPa，张拉时超张拉3%。考虑锚具回缩、摩擦损失、钢筋应力松弛、混凝土徐变等，预应力筋有效预应力为1090MPa。预应力梁在各种荷载作用下的梁根部控制截面弯矩、剪力以及总的预压应力（预应力等效荷载轴力）见下表。

2.3 抗裂验算

2.4 正常使用极限状态下的梁变形验算

下表中f1是荷载作用下的挠度，根据SATWE计算的弹性挠度乘以系数Bs/B换算成的长期挠度；f2是预应力的反拱值；f是梁最终的挠度；L0为悬挑梁的计算跨度（L0=2L）。规范的挠度限值[L0/f]为400，所以不同跨度的两根预应力梁的变形验算均满足规范要求。

2.5 梁抗震验算

按照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）附录C和《预应力混凝土结构抗震设计规程》（JGJ140-2004）分别验算了悬挑梁预应力强度比、梁端换算配筋率、梁端混凝土受压区高度和有效高度之比，以及悬挑梁梁底和梁顶非预应力筋配筋量的比值，均满足要求。

3 结束语

对于地处地震高烈度区的大跨度钢筋混凝土悬挑梁结构，除了满足强度要求外，变形和裂缝控制也是至关重要的，采用有粘结预应力技术和型钢混凝土组合技术，可有效地解决好这类技术问题。