某圆形展厅悬挑结构设计

程 曦

(中国电子工程设计院有限公司，北京 100142)

0 引言

随着我国科技的进步与发展，越来越多的复杂高层建筑中采用悬挑结构。采用钢桁架结构进行悬挑，其优点为造型简单、跨度合理、经济性好。本文针对某复杂建筑单体中的悬挑结构，进行了方案比选及结构设计分析，探讨类似项目的结构设计流程。

1 工程概况

某复杂单体建筑含局部圆形展厅，展厅面积800 m2，下方为坡屋面，建筑效果图如图1所示。

整体建筑采用钢筋混凝土框架—抗震墙结构体系，主要结构屋面高度36 m，地上8层，地下1层。地下1层层高6.0 m，地上各层层高均为4.5 m。大跨度展厅位于该建筑物的角部，采用钢桁架结构体系，展厅标高18.000，跨度32 m，下方为坡屋面，展厅外侧椭球型造型采用肋环形单层网壳。展厅平面及立面布置图如图2，图3所示。

2 结构选型

针对展厅建筑平面，拟选用如下几种结构型式：

1)结构方案1：采用六榀桁架，如图4所示。该结构方案优点为受力关系明确，轴以下大跨度悬挑结构仅采用两榀桁架支撑，造型简单，Ⓕ轴位置有结构构件，对大跨度桁架抗倾覆有利。缺点为GL1截面过大，因幕墙造型为椭球型，边缘处高度很小，GL1对建筑造型有较为明显的影响，Ⓕ轴结构构件对建筑外观有些许影响，故未采用该方案。

2)结构方案2：采用八榀桁架，如图5所示。该结构方案优点为有效减小了GL1的截面，对建筑外观无影响，增加的桁架4使得②轴～④轴间钢梁跨度明显减小，可以灵活布置次梁位置，躲开建筑洞口区域。缺点为Ⓕ轴结构构件对建筑外观有些许影响，且展厅最南侧与最北侧端点位移相差较大，对屋盖钢结构的初始位移较为不利，故未采用该方案。

3)结构方案3：采用12榀桁架，如图6所示。该结构方案优点为取消Ⓕ轴结构构件，建筑造型美观，展厅最南侧与最北侧端点位移相差较小，对屋盖钢结构的初始位移有利。展厅内部钢次梁跨度较小，建筑洞口布置灵活，楼板分隔较小，多数不需要采用临时支撑，方便施工。采用该方案作为最终设计方案并针对展厅竖向构件进行抗倾覆和稳定性验算。

3 设计参数

本场地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度0.05g，建筑抗震设防类别为标准设防类，建筑场地类别Ⅱ类，设计地震分组第一组，特征周期0.35 s。

根据建筑结构做法及业主使用要求，恒载为3.0 kN/m2(不计入板上隔墙荷载，结构自重软件自动计算)，活载考虑人员密集的可能，采用3.5 kN/m2，下挂幕墙结构为1.0 kN/m2。

基本风压0.30 kN/m2(50年一遇)，验算舒适度用风压0.20 kN/m2(10年一遇)，地面粗糙度类别为B类。

根据GB 50009—2012建筑结构荷载规范，本地区不考虑雪荷载。

考虑钢结构对温度作用比较敏感，考虑基本气温，合龙温度，结构最高最低温度，当地气温比较均匀，最后确定结构最大温升温降为16 ℃，-12 ℃。

4 结构整体计算

展厅桁架采用上下弦杆+斜腹杆+竖腹杆型式，为保证水平力传递，上下弦杆均伸入支座内一跨。为提高整体稳定性，减小悬挑长度，Ⓒ轴与轴之间设置两榀空腹桁架。

桁架及次梁均采用H型钢，最高截面高度700 mm，楼板采用闭口型压型钢板，柱采用型钢混凝土柱(内含十字型钢)。桁架剖面示意图如图7所示。

在地震作用下，采用振型分解反应谱法对结构进行分析(程序自动计算振型个数确保参与质量系数需达到总质量的90%以上)。考虑水平地震作用和竖向地震作用。

恒活、地震作用下结构最大位移见表1。

悬挑桁架最大位移57.82 mm，满足桁架挠度要求，悬挑下弦杆最大应力比0.68。

表1 结构最大位移 mm

5 活荷载不利布置

由于展厅南北两侧悬挑长度相差较大，故考虑最不利工况：活荷载按照悬挑较大侧(南侧)满布，悬挑较小侧为0(见图 8)。

考虑活荷载不利布置后，展厅位移情况见表2。

表2 结构最大位移(活荷载不利布置) mm

选取其中一根构件，进行轴力变化对比：Z1轴力变化为：4 077.4(正常情况)；3 879.3(活荷载不利布置)。

6 展厅抗倾覆验算

7 结构加强措施

由于结构下方为坡屋面，导致展厅下方两层层高范围内无法增设有效结构构件与主体结构拉结。故采取如下加强措施，以提高结构的安全性和可靠性：

1)在楼电梯间周圈设置核心筒，核心筒端头及转角处均采用约束边缘构件，并在展厅标高处设置型钢混凝土梁，保证水平力的有效传递；

2)型钢混凝土柱与钢框梁交接处，采用柱纵筋穿筋孔穿过并补强的施工做法，保证竖向力的连续；

3)型钢混凝土柱钢筋严禁采用搭接连接；

4)桁架下弦设置水平撑，减小下弦杆平面外计算长度；

5)楼板采用150 mm厚闭口型压型钢板，增加整体刚度。

8 结论

1)对于展厅结构的结构设计，需结合建筑使用功能及平面布置，考虑经济性、受力合理及施工方便等多个因素，综合确定结构方案；对于次结构的布置也应进行优化比较，考虑楼板跨度及结构截面尺寸等因素；

2)对于大跨度悬挑结构，需考虑竖向地震作用对结构的影响；对于6度地区，地震作用影响总体较小，恒活作用为控制项；

3)由于钢结构对温度作用比较敏感，需考虑温度作用对结构的影响；

4)对于不对称展厅结构，需考虑活荷载不利布置工况并进行抗倾覆验算；

5)采取有效的结构加强措施，确保结构在承载能力极限状态和正常使用极限状态下的安全性与稳定性。