某办公楼大跨度悬挑结构分析

某办公楼大跨度悬挑结构分析

胡海武

（中外建工程设计与顾问有限公司深圳分公司）

摘要：苏州某办公楼入口处，结构需做成大跨度悬挑型式，普通钢筋混凝土梁的强度、裂缝和挠度很难满足设计要求，通过两种结构方案比较，运用实体建模软件YJK建立结构实体模型并进行分析计算，得出不同结构选型下分析数据，得到了本项目的最优设计方案及同类问题的设计思路,可为类似项目设计提供参考。

关键词：大跨度悬挑；托柱转换；桁架；位移比；挠度

1．工程概述

某科技有限公司办公楼2#楼位于苏州市工业园区，建筑面积约为2万平米，地下室层数为一层，地上八层，建筑高度为34.5m；抗震设防烈度为6度（0.05g），地震分组为第一组，50年一遇基本风压为0.45kN/m2，地面粗糙度为B类。建筑效果图如图1.1，主入口处建筑平面如图1.2-1.4。入口处最大悬挑长度为13米，依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）3.4.3条，本建筑形体及其构件布置已存在平面凹凸不规则及竖向抗侧力构件不连续两种不规则类型。为实现建筑效果及使用功能，本建筑结构需要解决一个技术难题是:大跨度悬挑。本文就是在实体建模软件计算分析和结构概念分析的综合运用的基础上力求找到最安全的结构形式，来实现大跨度悬挑设计的问题。

图1.1办公楼效果图

2.结构方案比选

悬挑转换梁型式：利用钢筋混凝土型钢梁比传统的钢筋混凝土结构承载力大、刚度大、抗震性能好的优点，采用托柱悬挑转换梁结构型式，平面X向和Y向两方向伸出悬挑梁共同承受上部结构荷载，悬挑转换梁的计算简图如图2.1；

图2.1悬挑梁计算简图

悬挑桁架型式：采用悬挑桁架托柱结构型式，将横弯作用下的实腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件内简单的拉压应力状态。转换层下部竖向受力构件布置同方案一，在第三层、第四层根据建筑空间布局，按图2.2设置桁架。

图2.2桁架立面示意图

3计算结果分析

悬挑转换梁型式：采用YJK软件对该工程整体计算。

转换梁挠度过大，如图3.1，接近规范限值，转换梁截面高度需做到1800mm，对建筑立面影响较大。

图3.1方案一三层转换梁挠度图

结合该结构转换梁截面大，挠度大，对建筑立面影响大。

悬挑桁架形式：在建立计算模型时，桁架的上弦、下弦杆件采用梁单元，腹杆采用斜杆单元，桁架上弦、下弦杆所在楼层的楼板设置成弹性膜，如采用刚性楼板假定，则桁架上弦、下弦杆件的轴力均为零，不符合桁架实际受力情况，影响结构安全性。运用YJK软件建立计算模型简图如图3.2所示。

图3.2方案二结构三维简图

运用YJK软件对该结构进行计算分析,在该方案下结果如下所示：

桁架转换梁的挠度小，挠度验算结果详图3.5，转换梁截面高度取1200mm即可以满足受力要求，对建筑立面影响小。

图3.5方案二桁架悬挑梁挠度验算图

计算结果表明，采用桁架结构时，相应位置构件截面小，挠度小，对建筑立面影响小，桁架方案优势明显。

4方案对比及结论

根据上述计算结果对比，悬挑桁架方案同悬挑梁方案有如下优点：

1）采用悬挑转换梁时，悬挑梁为一个单元杆件独立工作，且无多余约束。采用悬挑梁时，为保证结构有足够的刚度和强度，梁的截面尺寸不可避免地增大，但同时，由于梁很强，很容易使转换梁与下层柱形成“强梁弱柱”现象。

采用桁架时，桁架通过腹杆连接，将梁和柱组成一个受力体系，为悬挑梁提供了多余约束，增大了结构的安全度，同时增强了结构的侧向刚度。

2）桁架在抗弯方面，由于将受拉与受压的截面集中布置在上下两端，增大了内力臂，使得以同样的材料用量，实现了更大的抗弯强度；在抗剪方面，通过合理布置腹杆，能够将剪力逐步传递给支座；这样无论是抗弯还是抗剪，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥，从而适用于各种跨度的建筑屋盖结构；更重要的意义还在于，它将横弯作用下的实腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件内简单的拉压应力状态，使我们能够直观地了解力的分布和传递，便于结构的变化和组合。故方案一中悬挑梁截面高度虽有1800mm，但计算挠度值依据接近《混凝土设计规范》（GB50010-2010）3.4.3条的限值，而桁架方案中对应位置梁截面高度仅需要1200mm，对建筑立面影响较小，且挠度计算值远小于梁式结构。显然，本工程选用桁架方案既可以满足结构安全的要求又可以更好满足建筑需求。

结论：

本工程实例表明，桁架是解决此类大跨度悬挑问题的行之有效的结构方案。

参考文献

[1]《混凝土结构设计规范》GB50010-2010．

[2]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010

[3]《建筑抗震设计规范》GB50011-2010

[4]YJK软件用户手册

[5]《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点