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      合肥某工程大懸挑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

      2021-09-15 10:55:22柯春明范一江
      關(guān)鍵詞:斜柱樓板拉力

      柯春明 范一江

      華東建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司安徽分公司 安徽 合肥 230086

      1 工程概況

      本工程坐落于合肥市高新區(qū),方興大道以西、望江西路以北,屬具備多項(xiàng)不規(guī)則的超限建筑。本工程北部存在大懸挑,懸挑尺寸為16.6m。本文主要討論16.6m懸挑鋼桁架部分的設(shè)計(jì)與優(yōu)化,其整體效果圖詳圖1。

      圖1

      本工程北側(cè)大懸挑部分采用鋼桁架結(jié)構(gòu),斜柱及相鄰柱采用型鋼混凝土柱,樓面梁采用鋼筋混凝土梁(其中北側(cè)大懸挑部分梁采用鋼梁、東西向大懸挑梁采用型鋼混凝土梁),樓蓋采用現(xiàn)澆混凝土板(大懸挑部分?jǐn)M采用輕質(zhì)混凝土組合樓板)。

      2 懸挑形式的方案對(duì)比

      本工程北側(cè)懸挑尺寸達(dá)16.6m,采取三種受力方案如下:

      方案一,懸挑部分采用鋼桁架,每榀均滿(mǎn)設(shè)斜拉桿,懸挑根部柱間設(shè)置交叉斜撐,頂部斜撐往里伸入一跨,詳圖2;方案二,懸挑部分采用鋼桁架,每榀僅設(shè)兩道斜拉桿,懸挑根部柱間設(shè)置單向斜撐,詳圖3;方案三,懸挑部分采用鋼桁架,每榀僅設(shè)兩道斜拉桿,懸挑根部柱根據(jù)恒+活受力情況設(shè)置單向斜撐(拉桿),邊跨與中間跨斜撐二~三層方向不同,詳圖4。

      圖2 方案一

      圖3 方案二

      圖4 方案三

      根據(jù)三種方案情況下的桁架軸力圖分析,方案一懸挑部分應(yīng)力較小,方案二,底部三層受力較為均勻,方案三中桿件受力方向變換斜撐后仍有桿件受壓。方案一、二按拆除構(gòu)件法復(fù)核連續(xù)倒塌性能,均未出現(xiàn)連續(xù)倒塌情況,綜合各種因素,結(jié)構(gòu)方案最終采用了方案一[1]。

      3 長(zhǎng)懸挑鋼桁架補(bǔ)充分析

      3.1 長(zhǎng)懸挑整體傾覆分析

      本工程為超長(zhǎng)懸挑結(jié)構(gòu),端部最大懸挑長(zhǎng)度為16.600m,且本工程樓板中間開(kāi)大洞,從安全角度考慮,取懸挑部分及根部三跨進(jìn)行局部抗傾覆分析。傾覆分析時(shí),不考慮有利部分樓板處附加恒載及活載,僅考慮自身重量,傾覆點(diǎn)為最北側(cè)一排柱腳位置。傾覆分析計(jì)算時(shí),僅取懸挑部分及根部3跨模型。

      從計(jì)算得出,風(fēng)荷載引起的傾覆力矩?cái)?shù)值較小,此處為簡(jiǎn)化分析,可不考慮。懸臂端傾覆主要考慮沿懸臂方向(Y方向)傾覆,根據(jù)傾覆力矩計(jì)算數(shù)值,與豎向荷載及豎向地震作用疊加即可判斷出柱頂內(nèi)力情況。本工程傾覆點(diǎn)為懸挑根部最外排柱,為簡(jiǎn)化計(jì)算考慮,將Y向地震傾覆力矩計(jì)入模型中考慮,懸挑最大尺寸為16.6m,假想豎向力輸入在懸挑最遠(yuǎn)端,則豎向力為7.847E+005/16.6=47271KN。根據(jù)柱腳反力計(jì)算結(jié)果,可以看出,懸挑結(jié)構(gòu)在中震作用下傾覆力矩較大,僅靠自身重量不能完全平衡懸挑端產(chǎn)生的力矩,且懸挑根部第三排柱截面受拉,故后排柱采用型鋼砼柱,此計(jì)算結(jié)果作為樁基抗拔設(shè)計(jì)依據(jù)。

      3.2 長(zhǎng)懸挑受力補(bǔ)充分析

      結(jié)構(gòu)整體分析時(shí),樓板按剛性假定;大懸挑構(gòu)件計(jì)算配筋時(shí),按斜桿單元模擬懸挑部分,樓板按彈性假定,樓板荷載及風(fēng)荷載通過(guò)蒙皮倒入到周邊梁上。

      懸挑部分配筋按中震彈性考慮,經(jīng)計(jì)算,懸挑部分應(yīng)力比較小,滿(mǎn)足規(guī)范要求。為進(jìn)一步弄清懸挑部分受力情況,本工程采用大型通用有限元軟件SAP2000程序?qū)﹂L(zhǎng)懸挑做補(bǔ)充分析;從圖可以看出,懸挑根部柱軸向壓力值均很小,為安全起見(jiàn),柱采用型鋼混凝土柱,且型鋼通長(zhǎng)設(shè)置。從不顯示柱后的內(nèi)力圖中可以看出,懸挑桁架在混凝土主體內(nèi)頂層位置產(chǎn)生較大拉力,其他樓層處為軸壓力;設(shè)計(jì)時(shí)懸挑根部?jī)煽缌翰捎眯弯摶炷亮?,縱筋通長(zhǎng)設(shè)置,并嚴(yán)格控制裂縫的寬度,樓板適當(dāng)加厚。

      從彎矩圖看出,懸挑部分在內(nèi)部第二跨梁產(chǎn)生較大彎矩,現(xiàn)柱及梁均為型鋼混凝土構(gòu)件,能較好抵抗彎矩。如剪力圖所示,各層端部剪力均較大,此位置梁柱均采用型鋼混凝土構(gòu)件,可承受較大剪力。主體桁架撓度僅為35.6mm,小于規(guī)范L/200=83mm要求,但考慮到使用要求,在桁架構(gòu)件制作過(guò)程中,要求桁架自身起拱L/600。

      3.3 斜柱及拉梁受力分析

      考慮到斜柱受力較為復(fù)雜,斜柱采用設(shè)置型鋼的混凝土柱,與斜柱相連的梁采用設(shè)置型鋼的混凝土梁,全部梁內(nèi)拉力由型鋼承受。

      N1為下層柱軸力,各種工況組合下最大軸力約為12000KN,拉力考慮僅由與斜柱頂連接的梁承擔(dān),經(jīng)計(jì)算水平拉力T為1920KN,型鋼梁內(nèi)型鋼截面為H700x250x16x25,抗拉強(qiáng)度值為295Mpa,型鋼拉力最大設(shè)計(jì)值為6798KN,拉力T遠(yuǎn)小于型鋼最大設(shè)計(jì)拉力,能達(dá)到要求;下面拉梁型鋼截面與斜柱頂拉梁截面相同,同時(shí)軟件對(duì)拉梁按拉彎構(gòu)件進(jìn)行分析,為保障拉梁的安全性,斜柱及拉梁均按中震彈性要求設(shè)計(jì)[2]。

      本工程懸挑較大,北部懸挑鋼桁架的根部均選取型鋼砼梁,型鋼承擔(dān)全部拉力,東西向懸挑計(jì)算時(shí)不考慮樓板承擔(dān)拉力,僅由拉梁內(nèi)型鋼承擔(dān),且型鋼伸入內(nèi)部一跨,鋼筋之間均為焊接,禁止搭接。為保證型鋼拉力傳遞,型鋼與柱之間加強(qiáng)焊接連接。

      3.4 施工階段分析

      本工程長(zhǎng)懸挑部分為施工階段分析的關(guān)鍵,全樓共7層,混凝土主體部分施工次序可按施工模擬3考慮(即逐層施工),懸挑部分為鋼結(jié)構(gòu)桁架,通過(guò)主體部分設(shè)置型鋼混凝土柱,與鋼桁架聯(lián)系,實(shí)際施工為型鋼混凝土帶部分懸臂梁段,通過(guò)懸臂梁段,與桁架焊接連接。本工程最長(zhǎng)懸挑尺寸為16.600m,考慮懸臂梁段后尺寸約為15m,故考慮分部運(yùn)輸,現(xiàn)場(chǎng)拼接后按單榀桁架一次吊裝,吊裝完成后鋪設(shè)次梁及壓型鋼板組合樓板,從施工工藝及流程,懸挑部分可作為施工階段分析最后一個(gè)施工步驟,鋼桁架懸挑部分受力分析時(shí)在YJK軟件中采用空間結(jié)構(gòu)建模,空間樓層被自動(dòng)放到最后一個(gè)自然層,基本與實(shí)相符。施工過(guò)程中,應(yīng)依據(jù)具體的施工方案,詳細(xì)進(jìn)行施工驗(yàn)算。

      3.5 樓板應(yīng)力分析

      從前面計(jì)算可知,懸挑部分產(chǎn)生的拉力最大處為7層樓面,本工程鋼桁架采用壓型鋼板組合樓板,組合樓板施工順序在整體施工后,與主體混凝土屋面并非同時(shí)施工,故壓型鋼板與普通混凝土樓板間連接較弱,設(shè)計(jì)時(shí)從主體樓面梁預(yù)留鋼筋,壓型鋼板混凝土施工時(shí)最后澆筑連接位置,以有效減少重力荷載產(chǎn)生的樓板拉應(yīng)力。

      大洞口周?chē)鷺前鍛?yīng)力選取YJK軟件分析,樓板按彈性板6定義。從中震時(shí)樓板應(yīng)力分析得出,樓板應(yīng)力在局部洞口周邊、柱頂處、頂層長(zhǎng)懸挑附近樓板應(yīng)力較大,但基本均未超過(guò)2ftk。

      3.6 樓蓋舒適度驗(yàn)算

      根據(jù)《高規(guī)》3.7.7條,樓蓋結(jié)構(gòu)應(yīng)具有適宜的舒適度。樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)頻率不宜小于3HZ,豎向振動(dòng)加速度峰值不應(yīng)超過(guò)規(guī)范限值。樓蓋結(jié)構(gòu)豎向振動(dòng)加速度可按《高規(guī)》附錄A計(jì)算[2]。

      本工程北側(cè)懸挑部分因采用鋼桁架方案,豎向剛度相對(duì)較大,豎向整體振動(dòng)的頻率為2.77Hz,略小于3Hz。最大峰值加速度為0.041m/s2,計(jì)算達(dá)到規(guī)范要求[3]。

      4 總結(jié)

      綜上所述,在大懸挑設(shè)計(jì)中,充分利用概念設(shè)計(jì)方法,進(jìn)行多方案對(duì)比,選擇合適的結(jié)構(gòu)方案;除主樓超限計(jì)算分析外,運(yùn)用SAP2000、YJK軟件補(bǔ)充局部懸挑梁應(yīng)力、傾覆、樓板應(yīng)力、防倒塌、舒適度、豎向地震等計(jì)算分析;數(shù)據(jù)表明,各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到規(guī)范的有關(guān)要求,對(duì)于計(jì)算分析中的薄弱部位及關(guān)鍵構(gòu)件,均針對(duì)性加強(qiáng),保證了結(jié)構(gòu)安全度。本懸挑結(jié)構(gòu)是可行、安全的。

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