南安市某工程竖向外挑结构方案比选及设计

郑成伟

中国汽车工业工程有限公司厦门分公司（361000）

南安市某工程竖向外挑结构方案比选及设计

郑成伟

中国汽车工业工程有限公司厦门分公司（361000）

以某工程为例，从建筑功能、工程造价和施工难度等方面对竖向外挑结构方案进行比选，详细介绍了该工程的整体计算、悬臂梁的设计、抗震验算及其他事项。

竖向外挑结构；安装比选；设计；抗震验算

随着社会经济的发展,建筑功能日渐多样,大体量的商业建筑、综合体已不再罕见，因此，建设方对于建筑立面外观有了更高的要求，以求在众多的同类建筑中给人留下深刻的印象。在本工程中，建筑方案为体现差异性，立面从二层竖向外挑6.3 m，用以达到上下对比强烈的目的。

1 工程概况

本工程位于福建省南安市水头镇，地下1层为车库及设备用房，地上4层，建筑高度为21.15 m，地上建筑面积为2.4万m2，地上1～2层建筑功能为店面、商店、商店仓库，3～4层建筑功能为办公、商店仓库。根据建筑造型需要，2～4层的建筑在1层的外轮廓基础上外挑6.3 m，形成一个3层高的竖向外挑。

根据建筑工程抗震设防分类标准，本工程地上1～2层的商场营业面积已超过7 000 m2，因此将地上1～2层的抗震设防类别定为重点设防类（乙类）；地上3～4层的办公面积小于8万m2，因此不提高抗震设防类别，依然定为标准设防类（丙类）。本工程结构体系为混凝土框架，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度为7度，地震加速度为0.15 g，设计地震分组为第三组，场地类别为2类，框架抗震等级为二级，乙类建筑范围的框架抗震等级为一级。基本风压0.65 kPa，地面粗糙度为B类。

图1 工程平面图

2 外挑方案比选

2.1 外挑结构采用长悬臂梁

采用分层设悬臂梁，在2层及以上外挑部分层层悬挑，每层单独受力，楼层之间相互不影响。此方案的优点在于结构体系简单明晰，不需要考虑整体作用，结构构件对建筑功能无影响.缺点在于悬臂结构缺乏多余约束，悬臂构件冗余度较低，需要采用更可靠、合理的处理方法进行设计。根据悬臂长度及受力情况，悬挑4 m以上的长悬臂构件可以采用型钢混凝土梁、预应力混凝土梁、预应力型钢混凝土梁等做法。型钢混凝土梁和预应力混凝土梁相比，在造价上相差无几，型钢混凝土梁需考虑节节点设置钢柱，增加钢柱产生的费用较预应力混凝土梁有所增加。在施工难度上,预应力混凝土梁需要专门的预应力队伍施工。综合考虑，在几种悬臂方案中，选择预应力混凝土梁方案，在应力较大的悬挑部位，采用预应力型钢混凝土梁方案。

2.2 外挑结构采用悬挑斜腹桁架方案

悬挑部分采用跨层的十字交叉桁架，交叉桁架刚度大，受力传递路径明确，可以充分发挥桁架整体受力性能。此方案结构整体性好，构件冗余度高，无需专业队伍施工，造价较低。经过与建筑专业协商，认为交叉桁架的斜杆对建筑使用功能影响较大，即便将桁架数量减少，采用间隔布置，之间采用普通混凝土梁，建筑专业亦无法接受，并且外围封边桁架对建筑立面风格影响也较大。综合比较后，本工程放弃采用斜腹桁架方案。

2.3 外挑结构采用悬挑空腹桁架方案

悬挑部分采用空腹桁架，桁架由上、下弦杆和直腹杆组成。此方案优点在于对建筑空间基本无影响，与长悬臂方案相比增加了端部约束，具有一定的冗余度。缺点在于空腹桁架依靠弦杆拉压来承担的弯矩小，弦杆自身也需承担较大的弯矩，受力情况优于悬臂构件，但配筋总量增加，节点施工复杂，造价较斜腹桁架方案高。

对以上三种方案进行比选后，最终选择了结构体系简单的长悬臂梁方案，并按长悬臂方案进行设计、施工。

3 整体计算与悬臂梁的设计

本工程采用SATWE程序进行整体计算。整体建模求出预应力梁在外部恒载、活载作用下的构件内力。整体计算时，由于周圈外挑部分较多，导致楼面荷载布置偏向竖向构件外围分布，因此，需要加强外围结构刚度，提高整体建筑抗扭刚度。同时，尽量减轻外挑范围结构自重，减少外挑部分带来的不利影响，在建筑功能无法改变的情况下，尽量降低结构自重。综合考虑后，本工程外挑部分楼板厚度由150 mm降低至100 mm。为避免预应力混凝土梁对周边楼板的影响，外挑部分楼板采用双层双向配筋，配筋率不小于0.25%。

本工程的预应力悬臂梁中分别配置有黏结预应力筋和无黏结预应力筋。有黏结预应力筋参与强度计算，用来部分替代普通钢筋，避免普通钢筋布置过多，影响施工。无黏结预应力筋不参与强度计算，只用来控制预应力梁的抗裂和挠度。

预应力悬臂梁的混凝土强度等级为C35，预应力筋采用1 860 MPa的低松弛钢绞线，普通钢筋和箍筋均采用400 MPa的高强钢筋。悬臂外挑长度6.3 m，预应力悬臂梁的尺寸普遍为600 mm×800 mm，根部加腋高度400 mm。为使受力合理，悬臂梁内的预应力钢筋向柱内侧延伸一跨，延伸跨内的预应力钢筋采用直线束布置。预应力钢束由有黏结钢绞线和无黏结钢绞线分别布置，预应力筋采用Φ15.2钢绞线，采用一端张拉的施工工艺，固定端采用挤压锚。有黏结预应力筋张拉端采用群锚，无黏结预应力筋张拉端采用单孔夹片锚。

在设计中,由于建筑角部区域为双向悬挑，为控制端部的挠度、裂缝，预应力混凝土梁的尺寸加大为700 mm×1 300 mm，并且将角部6.3 m×6.3 m的板块均匀布设井字梁，井字梁截面为500 mm×800 mm。考虑设计中角部混凝土柱受力较大，截面已达到1 200 mm×1 200 mm，若采用钢筋混凝土柱，截面、配筋均较大，因此在与双向悬挑梁相接的角柱中增加了十字形钢骨，用以增加混凝土柱的延性,并减少普通钢筋的配置，便于施工浇筑。

由于建筑功能的变化，本工程加设了电动扶梯，悬挑梁的内力相较于其余角部增加较多，因此，于此处设置了预应力型钢混凝土梁，梁截面为1 200 mm×1 300 mm，型钢截面高度为900 mm，材质为Q345B。因施工图设计时，并无预应力型钢混凝土的设计规范做为设计依据，为安全考虑，在裂缝及挠度计算时，不考虑型钢的有利作用。

图2 预应力钢铰曲线布置做法图

4 抗震验算及其他事项

根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）规定，本工程为7度区，长悬臂构件可不考虑竖向地震作用，因底部两层设防类别为乙类，为保证安全，对长悬臂构件补充按震型分解反应谱法计算竖向地震。计算时，由于建筑为多层，高度不高，竖向地震作用效应放大很不明显，计算震型数超过150之后，有效质量系数仍然难以达到90%，因此，改用多重里兹向量法，经计算后可满足有效质量系数的计算要求。对比计算结果，考虑竖向地震作用之后，长悬臂构件的内力略有增加，增量在2%以内，基本可以不用考虑。

预应力型钢混凝土梁的注意事项。在混凝土梁内，预应力钢筋是主要受力构件。施工中当其他工种与预应力筋发生矛盾时，应保证预应力钢束束形的正确。当遇上型钢时，在构件布置阶段就需考虑两者的避让，型钢梁、柱优先选用窄翼缘的类型，预应力束开孔位置应避开柱翼缘,在腹板位置开孔。加工时需保证型钢开孔位置准确，避免现场扩孔。

与长悬臂混凝土梁相邻的框架柱，抗震等级按提高一级采用。本工程中，底部两层的外围框架柱，抗震等级提高至一级。三层以上部分的外围框架柱，抗震等级提高至二级。对于埋设十字型钢的框架柱，节点做法需要特别注意，柱内箍筋以不穿过型钢为原则进行布置。根据型钢位置，内部设置不穿过型钢的八字形拉筋。遇到预应力钢丝束，采用在十字型钢的腹板开孔做法,波纹管能通过即可，保证预应力钢束的贯通。

5 结论

本工程采用预应力混凝土梁和预应力型钢混凝土梁的悬臂结构，达到了建筑立面外挑6.3 m的要求，取得了良好的经济效益。

对于外挑结构方案,应进行多方案比选后确定，在外挑4.5～7.5 m范围，选用悬臂梁方案较为合适。对于外挑结构，应适当加强外围框架截面，提高结构抗扭刚度。对与长悬臂梁相连的竖向构件，宜提高其抗震等级。