某商业综合体中大跨度悬挑梁设计 李永安

某商业综合体中大跨度悬挑梁设计李永安摘要：本文主要针对A市某商业综合体中庭的大跨度悬挑梁展开讨论，从结构方案、结构概念、结构设计与分析、施工技术及施工中应注意的问题进行了分析和阐述。

关键词：大跨度悬挑梁；结构方案；结构概念；结构设计引言悬挑梁的高度通常根据各个设计院的经验或结构设计手册适当选取。

目前对于大跨度悬挑梁的研究和实验分析很少。

平时的设计我们经常会遇到悬挑长度大于米的悬挑梁，而且有时这些项目在使用功能上很多属于人群密集公共建筑，荷载较重，而设计经验又相对不多，均给该类悬挑构件的设计和施工带来了很多难题。

一、工程概况本工程位于A市商业综合体建筑，采用框架—剪力墙结构。

建筑地下4层，地上23层，总高度98.3m。

总建筑面积9.98万m2。

其中裙房共7层，均为商业，裙房总高度为38.15m。

由于建筑功能的需要在裙房设有中庭（如图1所示的局部建筑图），结构配合建筑，从而产生了大跨度预应力梁（19m）及大跨度挑梁（悬挑8.1m）（如图2所示的局部结构模板图）。

由于悬挑梁在整个建筑工程中具有一定的特殊性，其质量方面一旦出现问题，将会对建筑结构构成严重威胁，并产生严重的安全事故。

在大跨度悬挑梁设计过程中，其受力合理性、安全储备问题、施工质量、加固施工都非常重要，本文主要以商业综合体建筑中的中庭部位大跨度悬挑梁设计为例，对其从结构方案、结构概念、结构设计与分析及施工中应注意的问题进行了分析和阐述。

二、结构方案根据《混凝土结构设计手册（第二版）》，悬挑梁高度的要求为h=L/5-L/7，故此处8.1m的挑梁高度应为1.2m~1.6m。

再考虑各种设备管道尺寸及造型功能等方面的要求，梁高限定在1.1m。

该大跨悬臂梁除了承担回廊相关范围内的板荷载外，还要承担跨层自动扶梯的荷载。

鉴于该大跨悬臂梁高度限制的同时还要承担较大剪力，设计时考虑采用型钢混凝土梁，利用型钢腹板承受剪力，既提高了大跨悬臂梁整体的抗剪承载力，又改善了构件受剪破坏时的脆性性能，使构件具有良好的变形能力和消耗地震能量的能力。

三、结构概念A市为6度抗震设防区，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第一组。

该项目所处场地为建筑抗震一般地段，场地类别为II类。

该项目采用框架-剪力墙结构，总高度98.3m。

本项目存在以下不规则因素：（1）扭转不规则：考虑偶然偏心的扭转位最大移比为1.37，大于1.2.；（2）偏心布置：7层和8层的质心相差大于相应边长的15%；（3）楼板不连续：开洞面积大于30%；（4）尺寸突变：多塔结构；（5）屋面有局部梁上柱转换。

根据《2010超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》（建质[2010]109号），该项目属于超限高层。

3.1 抗震等级的确定该项目裙房商业区属于重点设防类（乙类），根据《高规》3.9.1条：乙类建筑应按本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施，所以：裙房的框架、剪力墙抗震等级定为二级。

根据《高规》10.6.5条：底盘高度超过房屋高度20％的多塔楼结构的设计应符合下列规定：抗震设计时，体型收进部位上、下各2层塔楼周边竖向结构构件的抗震等级宜提高一级采用，一级提高至特一级，抗震等级已经为特一级时，允许不再提高。

另外《抗规》3.5.2条：结构体系应符合下列各项要求：2应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力；4对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力。

再综合考虑超限高层的相关概念，对裙房部位各结构构件的抗震等级进行确定：框架、剪力墙抗震等级定为二级，但大跨悬臂梁及与大跨悬臂梁相关的框架柱、塔楼周边竖向结构构件抗震等级为一级。

3.2 地震作用的确定高规4.3.1条：乙类建筑应按本地区抗震设防烈度计算。

高规4.3.2条：1一般情况下，应至少在结构两个主轴方向分别计算水平地震作用；有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15°时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。

2质量与刚度分布明显不对称的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响；其他情况，应计算单向水平地震作用下的扭转影响。

3高层建筑中的大跨度、长悬臂结构，7度（0.15g）、8度抗震设计时应计入竖向地震作用。

所以该项目不仅要考虑水平地震作用，对大跨悬臂梁还应考虑竖向地震作用。

3.3 挠度与裂缝的确定型钢混凝土组合结构技术规程4.2.8条：型钢混凝土梁的最大挠度应按荷载的短期效应组合并考虑长期效应组合影响进行计算，其计算值不应大于8100×2/400=40.5mm。

型钢混凝土组合结构技术规程4.2.9条：型钢混凝土组合结构构件的最大裂缝宽度：室内正常环境不应大于0.3mm。

四、结构设计与分析（1）截面选型及布置该大跨悬臂梁采用型钢混凝土梁，截面尺寸为600×1100（mm），内部为型钢梁H800×200×16×18。

截面图如图3所示。

（2）大跨悬臂梁受荷图如图4所示。

（3）抗震性能设计（表1）（4）竖向地震作用：该大跨挑梁需考虑竖向地震作用，结构竖向地震作用效应标准值宜采用时程分析方法或振型分解反应谱方法进行计算。

时程分析计算时输入的地震加速度最大值可按规定的水平输入最大值的65％采用，反应谱分析时结构竖向地震影响系数最大值可按水平地震影响系数最大值的65％采用，但设计地震分组可按第一组采用。

（5）采用STAWE与Midas Building两种软件进行承载力计算分析。

对两种软件的计算结果分别从以下4个方面进行分析比较：①设计弯矩包络图；②弯矩图；③剪力图；④配筋及钢构件应力简图，通过分析比较，两种软件的计算结果互相验证了分析结构的正确性，保证了该方案的结构安全、可行。

（6）型钢混凝土挑梁的抗剪连接型钢上翼缘与混凝土的界面间存在较大的剪应力，极可能产生相对滑移，因而抗剪连接件成为型钢混凝土组合梁充分发挥各材料性能的关键。

为避免型钢与混凝土接触面滑移，在型钢上下翼缘全长设置两排直径19mm，间距200mm的栓钉。

（7）型钢混凝土挑梁的挠度及裂缝验算按《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ 138-2001）第5.2.2条验算裂缝宽度，该梁在充分考虑裂缝宽度分布的不均匀性和荷载长期效应组合影响的最大裂缝宽度ωmax为0.20mm，而规范规定的允许值[ω]为0.3mm，满足规范要求。

按《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ 138-2001）第5.3.2条验算挠度，该梁的纵向收拉钢筋的配筋率ρ=0.95%时，在充分考虑荷载短期效应和长期效应组合作用下的最大挠度为38.1mm。

悬挑梁受弯构件的最大挠度限值为，其中l0为悬挑梁构建的计算跨度，在使用过程中需要截取实际悬臂长度的两倍值，因此，其挠度最大允许限值[f]为8100×2/400=40.5mm，满足规范要求。

（8）有限元模型的建立、计算结果与分析借助专业的有限元分析软件ANSYS进行补充分析，并建立相应的有限元模型，在对网格进行划分的过程中，可以采用三角形网格智能法进行划分。

其中要求混凝土的强度等级为C40，泊松比、弹性模量以及密度等相关参数都必须与混凝土结构设计规范相符。

挑梁所承担的荷载主要包含活载荷恒载两部分，前者根据GB 50009-2001（建筑结构荷载规范）标准取值为3.5kN/m2；后者则主要包含挑梁自身重量以及上部楼板的荷载及扶梯传来的荷载，依据荷载等效的原理，其能够转化为面荷载之后，再施加到拟建的模型上。

通过对拟建模型的分析来充分了解文中大跨度悬挑梁的应力分布规律和竖向挠度。

从参数可以看出，其最大挠度变形为38.5mm，位置在挑梁端部，满足规范限值要求。

（9）实际配筋：上部钢筋14ф25 8/6，下部钢筋：6ф25；箍筋：ф10@100（4），腰筋：N8ф16，型钢：H700×200×16×18。

五、施工中应注意的问题因建筑工程悬挑梁结构十分复杂，且极易受到地理位置、外界环境的影响，为此要想确保工程建设的顺利进行，必须加大悬挑梁施工的安全管理，具体来说，在施工过程中需要注意以下几个方面的问题：第一，做好相应的施工准备，包含施工材料准备、机械设备以及人员组织等方面的准备。

施工单位必须对施工准备工作予以高度重视，并做好技术交底。

第二，大跨度悬挑梁在工程施工中比较特殊，属于超常规混凝土结构，其支撑部位的施工方案非常关键，本文采用扣件式钢管脚手架，其立杆支撑主要集中在楼面部位。

第三，在大跨度悬挑梁中设置相应的端柱进行联系，因各个层面的支撑柱向悬挑梁端柱传递一定的压力，导致底层悬挑梁受力较大，为此应加大悬挑梁配筋的设置，以便将构件裂缝控制在合理的范围内。

第四，在对型钢混凝土梁截面进行设计的过程中，需要满足相关标准对边距的具体要求，同时对穿过混凝土支撑柱存在的问题加以解决，具体可以用直径较大的柱纵筋从型钢穿过，从而实现对型钢宽度的有效控制，且柱筋配置也符合区域内抗震等级的要求。

结束语总之，因大跨度悬挑梁在建筑工程中占据十分重要的位置，且施工工序非常复杂，所以要求超大悬挑梁设计必须符合相关的标准规范，有效提升悬挑梁结构的安全性与稳定性。

同时，在施工过程中应严格依据相关操作标准进行，确保施工质量达到设计的要求。

此外，还需要依据悬挑梁施工的具体情况，采取相应的加固措施，对其构件进行加固补强施工。

在对结构受力计算的过程中，需要对各方面情况予以综合考虑，而不是进行简单的叠加计算。

在工程检测过程中，有效提升加固后悬挑梁构件的安全性和稳定性，还需要加大安全等级的设计，为工程施工的高质量打下坚实基础。

参考文献：[1]焉永强.关于悬挑梁设计几个问题的思考[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2016[2]刘浩.既有隧道上新建高层建筑对其影响的测试分析D］.长沙中南大学硕士学位论文，2015。