怒江美麗公路綠道建設(shè)工程擋墻外側(cè)懸挑結(jié)構(gòu)驗(yàn)算（6m跨鋼結(jié)構(gòu)）

施汝軍

（云南云嶺公大公路工程有限公司，云南 昆明 650220）

結(jié)合當(dāng)前的建筑工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來看，懸挑結(jié)構(gòu)以側(cè)向支撐為主，本身是梁板結(jié)構(gòu)中的一部分，在實(shí)際的施工過程中必須要進(jìn)行合理的驗(yàn)算，確保相關(guān)參數(shù)符合施工標(biāo)準(zhǔn)，才能夠提升建筑的安全性和穩(wěn)定性，因此建立在實(shí)際工程案例的基礎(chǔ)上，分析懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的相關(guān)驗(yàn)算內(nèi)容以及驗(yàn)算方法，不僅是本文論述的重點(diǎn)，也是進(jìn)一步提升懸挑結(jié)構(gòu)應(yīng)用價(jià)值的重點(diǎn)課題。

1 建筑工程懸挑結(jié)構(gòu)內(nèi)容

從建筑專業(yè)角度來講，懸挑結(jié)構(gòu)主要指的是利用拉索結(jié)構(gòu)或者其他方法來實(shí)現(xiàn)建筑構(gòu)件外延的一種方式。部分或者整體懸挑結(jié)構(gòu)下沒有支撐物進(jìn)行支撐，整體結(jié)構(gòu)以側(cè)向受力為主，從主體結(jié)構(gòu)上延伸出懸挑梁或者板結(jié)構(gòu)，形成懸臂，其中有一部分澆筑在整體的建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)，另一部分以伸出式的方式形成外懸式結(jié)構(gòu)，通常應(yīng)用在跨度較大的廠房，體育館，展覽館，高層建筑物或者橋梁等公共建筑物中，是當(dāng)前建筑結(jié)構(gòu)中不可或缺的重點(diǎn)，同時(shí)也是發(fā)揮建筑多樣化功能的重要結(jié)構(gòu)，大部分的懸挑結(jié)構(gòu)能夠提供遮雨、陽臺(tái)等功能。

2 懸挑結(jié)構(gòu)驗(yàn)算實(shí)際案例分析

怒江美麗公路綠道建設(shè)工程位于瀘水市魯掌鎮(zhèn)小沙壩服務(wù)區(qū)。該項(xiàng)目是G219線丙中洛至六庫公路改擴(kuò)建工程（怒江美麗公路）的重要組成部分，全長(zhǎng)285.56公里，全線按城鎮(zhèn)型和郊野型綠道標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，針對(duì)工程擋墻外側(cè)利用了懸挑結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從外觀上來看，不僅能起到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的作用，也能夠成為整體工程的個(gè)性化工程。另外，建立在工程安全性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，針對(duì)懸挑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須要保持高度重視，嚴(yán)格落實(shí)相關(guān)受力情況和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的驗(yàn)算。才能夠?yàn)橘|(zhì)量控制提供保證。

3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算流程

3.1 模型建立及荷載計(jì)算

根據(jù)圖紙建立6m跨鋼結(jié)構(gòu)支承模型，采用MIDAS/CIVIL2019通用有限元分析軟件建模，模型共計(jì)72個(gè)節(jié)點(diǎn)，74個(gè)單元。包括斜撐、鋼橫梁、外側(cè)縱梁、內(nèi)側(cè)縱梁以及平聯(lián)等結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧M。斜撐與橫梁以及平聯(lián)與橫梁的的連接均采用共節(jié)點(diǎn)建立單元的方式模擬，橫梁錨固于擋墻的邊界條件通過各向均約束的一般支承的方式模擬，斜撐錨固于牛腿的邊界條件通過各向均約束的一般支承模擬。模型消隱圖以及邊界設(shè)置如圖1。

圖1 模型消隱圖

結(jié)構(gòu)施加自重、橋面板荷載、鋪裝及護(hù)欄荷載以及人群荷載，其中除自重外，單跨6m鋼支撐所受的其余荷載均通過梁?jiǎn)卧奢d的形式平均分配給兩根鋼橫梁。橋面板荷載根據(jù)其構(gòu)造考慮三遍支撐以及兩邊支撐兩種情況，荷載計(jì)算如下：

q橋面板1=1.96×2.5×0.15×26/（1.96×2+2.5）=3.0kN

q橋面板2=1.96×2.5×0.15×26/（1.96×2）=4.9kN

q護(hù)欄=1kN/m

q鋪裝=1.2×2.5×6/（6×2+2.5×2）=1.06kN/m

q人=2.5×4×6/（6×2+2.5×2）=3.53kN/m

基本組合荷載取為：1.2×（自重+橋面板荷載+鋪裝和護(hù)欄+人群荷載）

3.2 鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算

針對(duì)整體懸挑結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算主要分為以下幾點(diǎn)。首先需要進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，結(jié)合對(duì)整體懸挑結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，我們可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力峰值為-54MPa，主要出現(xiàn)在外側(cè)的縱梁跨中，整體結(jié)構(gòu)處于安全范圍內(nèi)。其次需要計(jì)算鋼橫梁的應(yīng)力分布情況，經(jīng)過對(duì)應(yīng)力云圖進(jìn)行分析之后，整體的鋼桁梁荷載組合最大應(yīng)力為34.4MPa，最大位置在懸臂的根部，符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

其次需要進(jìn)行斜撐應(yīng)力計(jì)算，荷載組合下的斜撐最大應(yīng)力為-43.5MPa，應(yīng)力水平較低，符合材料的使用需求。

另外平聯(lián)應(yīng)力最大數(shù)值為18.9MPa，應(yīng)力水平較低，滿足材料要求。外側(cè)縱梁應(yīng)力最大數(shù)值為54MPa；內(nèi)側(cè)縱梁應(yīng)力最大值為-29.8MPa。皆滿足相關(guān)需求。

另外對(duì)整體鋼結(jié)構(gòu)的變形情況進(jìn)行了計(jì)算，4m跨鋼支撐最大行變?yōu)?4.8mm，且主要出現(xiàn)在外側(cè)縱梁的跨中位置變形，參數(shù)較小。

彈性穩(wěn)定特征值分析采用自重不變+人群荷載可變，得到結(jié)構(gòu)一階屈曲模態(tài)為外側(cè)橫梁的橫向彎曲變形，特征值為19，滿足工程一般要求λ≥4。

斜撐截面為100×6mm的方形鋼管，彎矩作用在對(duì)稱軸平面內(nèi)的實(shí)腹式壓彎構(gòu)件，彎矩作用平面內(nèi)穩(wěn)定性按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）8.2.1-1條驗(yàn)算。

彎矩作用平面內(nèi)的整體穩(wěn)定性應(yīng)按下列公式計(jì)算：

3.3 擋土墻穩(wěn)定性計(jì)算

擋土墻的傾覆穩(wěn)定系數(shù)定義為抗傾覆力矩/傾覆力矩，實(shí)際的計(jì)算方式需要考慮到擋土墻的自重、墻后土壓力以及懸挑結(jié)構(gòu)的力臂參數(shù)，考慮到擋土墻類型眾多，本項(xiàng)目選取高度最低和最高的兩者進(jìn)行計(jì)算。

針對(duì)高度最低的擋土墻進(jìn)行計(jì)算，

自重：G=4.54×6×26=708.24kN

抗傾覆力矩=708.24×1.5+90.8×0.5=1107.76kNm；

傾覆力矩=38.25×1+82×3=284.25kNm；

抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)=1107.76/284.25=3.9>1.6。

因此，3m的擋土墻其抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

針對(duì)高度最大的擋土墻穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算時(shí)：

自重：G=72.61×6×26=11327.16kN；

抗傾覆力矩=11327.16×4+90.8×9.5=46170kNm；

傾覆力矩=612×4+82×12=3432kNm；

抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)=46170/3432=13.5>1.6。

因此，12m的擋土墻其抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

本工程中采用簡(jiǎn)化計(jì)算方法，計(jì)算過程偏保守，沒有考慮衡重式擋土墻特殊構(gòu)造對(duì)傾覆穩(wěn)定性的正向影響，同時(shí)墻后填土重度按17kN/m3考慮，從計(jì)算結(jié)果看擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性是安全的。

3.4 錨桿錨固長(zhǎng)度計(jì)算

本工程中針對(duì)錨桿的計(jì)算，需要結(jié)合非預(yù)應(yīng)力錨桿的計(jì)算方法進(jìn)行綜合分析，并且建立在錨桿和砂漿界面以及砂漿與巖層界面之間的質(zhì)量控制角度進(jìn)行考慮，因此普通中空錨桿以及錨固端抗拔承載力需要利用下述公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Nd：錨桿或單元錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值（N）；La：鋪固段長(zhǎng)度（m）；fmg：錨固段注漿體與地層間極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（MPa或kPa），應(yīng)通過試驗(yàn)確定，當(dāng)無試驗(yàn)資料時(shí)，可按表4.6.10取值；：錨固段注漿體與筋體間粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（MPa），可按本規(guī)范表4.6.12取值；D：錨桿錨固段鉆孔直徑（mm）；d：鋼筋或鋼絞線直徑（mm）；K：錨桿段注漿體與地層間的粘結(jié)抗拔安全系數(shù)，按本規(guī)范表4.6.11取值；ξ：采用2根或2根以上鋼筋或鋼絞線時(shí)，界面粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)，取0.70～0.85；ψ：錨固段長(zhǎng)度對(duì)極限粘結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)，可按本規(guī)范表4.6.13選?。籲：鋼筋或鋼絞線根數(shù)。

相關(guān)系數(shù)如下：由于錨桿的錨固段包含C20混凝土以及土層兩段，C20混凝土按軟巖考慮，土層按堅(jiān)硬黏性土考慮，根據(jù)表4.6.10取注漿體與周邊地層的極限粘結(jié)強(qiáng)度為：前者為0.6，后者為0.12；注漿體與地層間的抗拔安全系數(shù)為2.2；注漿體與桿體之間的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取為1.0；錨固段長(zhǎng)度對(duì)強(qiáng)度的影響系數(shù)與錨桿長(zhǎng)度有關(guān)，影響系數(shù)取為1.0；錨桿穿過擋土墻的長(zhǎng)度取較小值0.6m，則穿過土層的長(zhǎng)度為（L-0.6）m；荷載組合下單個(gè)衡量錨固端的拉力需要結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行分析，由于6m的懸挑拉力，大于4m的懸挑拉力，因此需要利用6m懸挑反力進(jìn)行計(jì)算，恒載荷載系數(shù)取1.2，活載荷載系數(shù)為1.4。其拉力計(jì)算公式為：

1.2G＋1.4F活＝1.2×34.73+1.4×20.58＝70.5kN

另外還需要考慮錨桿數(shù)量以及錨固端的組合搭配方式，本工程中涉及到了單個(gè)錨固端設(shè)置兩根錨桿的形式，單根錨桿所承受的拉力為35.25kN，那么注漿體與巖層之間的強(qiáng)度計(jì)算公式為：

注漿體和桿體之間的強(qiáng)度計(jì)算公式為：

利用上述公式進(jìn)行參數(shù)帶入，計(jì)算結(jié)果表示，當(dāng)在一個(gè)錨固端設(shè)置兩根錨桿的情況下，錨桿的錨固長(zhǎng)度需要≥4.3m。

其次涉及到了一個(gè)錨固端設(shè)置4個(gè)錨桿的情況，這時(shí)單根錨桿所承受的拉力為17.6kN，那么注漿體與巖層間的強(qiáng)度計(jì)算為：帶入上述公式和參數(shù)之后結(jié)果為L(zhǎng)≥0.8m，注漿體與錨桿體之間的強(qiáng)度，結(jié)果為L(zhǎng)≥0.25m。

因此在一個(gè)錨固端設(shè)置4個(gè)錨桿的形式下，錨桿的錨固長(zhǎng)度應(yīng)該大于等于0.8m，同時(shí)實(shí)際的規(guī)范中針對(duì)中空錨桿的長(zhǎng)度參數(shù)限制為不小于3m，需要將錨固的長(zhǎng)度設(shè)置為3m。

4 結(jié)束語

綜上所述，懸挑結(jié)構(gòu)的應(yīng)用不僅能夠增強(qiáng)建筑的視覺沖擊力，也能夠優(yōu)化建筑外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)質(zhì)量，但是由于懸挑結(jié)構(gòu)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制，在設(shè)計(jì)過程中必須要落實(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算和優(yōu)化，綜合核載力、擋土墻穩(wěn)定性、鋼結(jié)構(gòu)支撐力以及錨桿錨固長(zhǎng)度進(jìn)行分析，加強(qiáng)驗(yàn)算的精準(zhǔn)性，才能夠真正實(shí)現(xiàn)對(duì)懸挑結(jié)構(gòu)質(zhì)量的控制。