某大跨悬挑科学实验楼主体结构设计分析

单玉坤 张岩寿 李 昕

(1.天津大学建筑设计研究总院有限公司，天津 300017； 2.中建三局集团有限公司，湖北 武汉 430064)

0 引言

随着经济的发展及人们对物质和文化生活要求的不断提高，人们对各种建筑的要求越来越高，建筑师为了更好的立面效果，经常采取大跨度悬挑的设计方案，给结构工程师不断带来新的挑战。不同悬挑结构方案对于结构安全、经济性、施工难易程度影响非常大，本文通过某已经实际完成的工程进行分析，给出了本工程的设计思路及设计过程。建筑效果图如图1所示。

1 工程概况

本工程为科学实验楼，地上5层，地下1层，建筑高度23.80 m，建筑面积12 692.7 m2，地上建筑面积10 783.8 m2，地下建筑面积1 908.9 m2。立面设计着力于体现企业形象，主要出入口1层～3层建筑凹进，4层，5层悬挑与主平面齐平，同时石材与玻璃幕墙的虚实结合，加之以条窗的阵列秩序感，塑造出了现代、简约明快的建筑风格特点，与科学实验性质的建筑使用功能相呼应，彰显出了严谨理性的建筑气质。

结构设计基准期及设计使用年限均为50年，建筑结构安全等级二级，建筑抗震设防类别为标准设防类，抗震设防烈度7度(0.15g)，工程设计地震分组为第二组，场地类别Ⅲ类。主体结构采用钢筋混凝土框架结构，计算嵌固端取地下室顶板，框架梁、框架柱抗震等级均为二级。主要轴网尺寸为8.4 m×8.0 m，4层，5层悬挑最大跨度8.4 m，悬挑部位功能为开敞办公区。结合建筑功能，同时综合造价、施工等方面因素，最终选用钢筋混凝土斜撑方案。考虑受力兼顾建筑使用，斜撑未设置于悬挑端部，斜撑角度控制在45°左右，另外在端部设置柱子，使结构形成桁架，提高了结构整体刚度。

计算模型及简图见图2,图3。

2 方案对比及整体分析

2.1 悬挑部分方案对比

4层，5层大跨度悬挑部分选用了以下4种方案进行了对比分析：

1)悬挑梁采用型钢混凝土梁；2)悬挑梁采用预应力混凝土梁；3)增设钢支撑；4)增设混凝土支撑。

经过计算，采用型钢混凝土或预应力混凝土悬挑梁，梁高需要1 200 mm，对于建筑层高有较大影响，且因增加了工序导致施工周期长、施工难度稍大，不予采用；钢支撑或混凝土支撑方案均可满足计算要求，同时建筑根据装饰措施可解决支撑带来的不利影响，考虑到钢结构支撑构造节点复杂、施工困难，最终选用钢筋混凝土支撑方案。

2.2 结构整体分析

结构分析采用盈建科建筑结构计算软件进行计算，按照平面不规则进行地震力组合分析，考虑了平扭耦连计算的扭转效应及双向地震作用；对于4层，5层大悬挑相关区域楼板、2层共享大厅洞口周边楼板，尚考虑楼板弹性，按照弹性楼板进行计算分析，能够准确反映地震作用下结构整体性能；整体计算时考虑施工次序的影响。

1层,2层及悬挑部位1层～5层框架柱截面750 mm×800 mm，3层～5层框架柱截面为650 mm×700 mm，悬挑部位边柱截面500 mm×700 mm；内部框架梁主要截面为300 mm×750 mm，外圈框架梁截面为300 mm×1 200 mm；斜撑截面为500 mm×600 mm。2层共享大厅洞口周边楼板、共享大厅洞口上方3层楼板及悬挑相关区域楼板均为150 mm，并采用弹性板和刚性板包络计算分析。

经计算，结构的第一周期为平动周期，振型曲线光滑正常，扭转/平动周期比、剪重比、刚重比等指标均满足规范[1,3]要求，结构水平位移满足GB 50011—2010建筑抗震设计规范[1]的要求。结构计算指标及主要计算结果详见表1，表2。

表1 计算基本信息表(一)

表2 计算基本信息表(二)

3 结构设计重点、难点分析

3.1 施工次序

与现场实际施工相结合定义合适的施工次序计算非常重要。因悬挑端部设置了吊柱，计算程序默认3层、4层为一个施工次序，5层为一个施工次序，但实际整个4层平面仅存在两根吊柱，这样将两层作为一个施工次序进行施工极不合理。另外，悬挑部分为4层、5层两层，整体形成空间桁架后受力更为有利。故设计时需要按照构件手工指定施工次序，将悬挑区域3层～5层相关区域设定为一个施工次序，另外须在施工图中予以详细注明并在交底过程中与施工单位强调落实。经过两个方法对比，相关区域梁柱及支撑配筋均有比较大的变化。

3.2 弹性楼板包络设计

JGJ 3—2010高层建筑混凝土结构技术规程[2]3.4.6条规定：当楼板平面比较狭长、有较大的凹入和开洞而使楼板有较大削弱时，应在设计中考虑楼板削弱产生的不利影响。第5.1.5条进一步规定：当楼板会产生较明显的面内变形时，计算时应考虑楼板的面内变形或对采用楼板面内无限刚性假定计算方法的计算结果进行适当调整。对于2层楼板开大洞的洞口周边楼板、洞口上方3层楼板及悬挑相关区域楼板斜撑区域楼板按照弹性板计算分析，并根据计算结果对楼板配筋进行调整，并采用加厚楼板且双层双向配筋的构造措施。

3.3 局部构件配筋

悬挑部位混凝土斜撑与框架柱、框架梁相交，节点钢筋复杂，钢筋数量不宜过多，此范围均采用大直径钢筋并按照实际比例进行钢筋放样，保证施工可行性。

4 结论

通过对某大跨悬挑科学实验楼地上结构进行分析，从悬挑部分方案比选、主体结构设计、技术重点难点分析方面进行了介绍和论述，相关结论如下：

1)针对不同需求的建筑，大悬挑结构采用混凝土斜撑方案切实可行，不增加额外工序，经济性好，施工简单。

2)采用混凝土斜撑及空间混凝土桁架方案进行设计时，设置合理的施工次序对于计算结果影响非常明显，须结合实际情况正确考虑。

3)对应开大洞洞口相邻楼板及特殊受力部位的楼板，应采用弹性楼板进行复核计算，并采取相应构造措施加强。

4)特殊复杂节点需要考虑施工实际情况，进行必要的优化设计以保证结构安全可靠、简单易行。