悬挑结构工程案例与问题总结
小智审图2020-04-29

悬挑结构是建筑师的常用手法,草草几笔就勾勒出了轻盈且独特的建筑轮廓后,带给苦逼结构攻城师将是无限的挑战与惆怅,各种复杂分析计算来回包络设计,每一个环节都不敢掉以轻心……

话不多说,先来领略一下建筑大师们让人目瞪口呆的杰作吧……
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不同结构类型的工程实例

1、韩国釜山电影中心(Busan Cinema Center)

其是韩国釜山国际电影节开幕式和闭幕式专用场地,地址位于釜山云台山泉市。至2013年7月,它被吉尼斯世界纪录评为最大悬臂屋顶(悬挑85米)。该建筑中心是由奥地利建筑设计事务所库柏·西梅布芬事务所设计,并由韩进重工建造。

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最初的抽象化结构模型中,两个支点被定义为刚接节点,承托巨型的屋顶,而事实上,这两个支点共同组成了一个巨大的建构,同时它们的支撑方式也是弹性的。

为了减少形变,在另外一段增加了一个受拉的杆件,使整个屋顶的形变减少了15%。虽然建筑方案中原本没有这个杆件,但由于它能起到这么大的作用,而且本身也比较纤细,不会对建成效果造成太大影响,因而得以后期采用。

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原始模型简图

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后期深化模型简图

2、意大利佛罗伦萨运动场大看台

钢筋混凝土梁板结构,雨蓬挑梁伸出17m。

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3、成都体育场看台挑棚

挑梁为块体拼装后张部分预应力混凝土结构,采用工字型截面,设16处双柱双梁变形缝,共布置104榀双向对称现浇钢筋混凝土看台框架及块体拼装悬挑雨棚结构。

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4、上海世博会中国国家馆

其设计采用钢-混凝土组合结构,结构总高度68m;筒体间楼盖向上逐层挑出,呈四棱台斗冠状;四个筒体外侧标高33.3m位,共挑出截面为800mm×1500mm的方钢管混凝土斜撑20根,作为标高38.7m~60.3m处楼盖体系的竖向支承,形成建筑的倒梯形造型,屋面悬挑部分施加有水平预应力。

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欣赏完四种悬挑结构形势,作为做惯了常规设计的攻城狮们是不是倒吸了一口凉气……抽根烟淡定一下,大部分结构师是不会接触到这么复杂的项目,下面我们来看看常规悬挑结构设计需要注意的事项。


常规悬挑结构设计注意事项

悬挑结构常规做法如建筑工程中的雨篷、挑檐、外阳台、挑廊等,这种结构是从主体结构悬挑出梁或板,形成悬臂结构,其本质上仍是梁板结构。悬臂梁悬臂端无支承构件,视野开阔,空间布置灵活。其缺点是在结构的固定端有较大的倾覆力矩。设计时除了考虑结构的强度和变形外,还要注意结构的抗倾覆稳定性。

1、悬挑结构的简化计算

一般民用建筑轻挑板根部为跨度的1/10,一般经验挑板尺寸不宜超过1.5米,但小编刚刚毕业时见老工程师做过悬挑2米的板,根部200mm厚,裂缝验算通过,至今无安全问题。悬挑梁的跨高比一般为1/6。悬挑结构的简化计算简图如下图:

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下面列出常规民用荷载下不同挑板长度下的板厚、配筋经验图表

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表1

悬挑结构不必过于追求经济,因为其不是几次超静定结构,安全储备应该比常规构件大些,一般需要乘以一个增大系数。

2、悬挑梁板的构造

(1)悬挑板

挑板的厚度确定之后,与其相邻的作为支座的板厚,应尽量与之接近,不宜厚度小很多,否则相邻处要构造加腋以平衡内外负弯矩,同时也避免了挑板支座处梁受扭或者剪力墙面外受的弯矩。此外挑板的下部虽然正弯矩零,可以按照最小配筋率来配,但对于大挑板下部应该配置足够的受压钢筋,以减少因板徐变而产生的附加的挠度,有专家建议下部钢筋为上部受拉钢筋的1/3~1/2,而且间距150m左右(间距密些为了防止混凝土开裂)。

(2)悬挑梁

朱总认为一般情况下,悬挑梁以承受竖向荷载为主,可考虑不按照框架梁的要求,当悬臂梁根部梁顶筋比较多时,可适当增加梁底构造钢筋(受压钢筋),以提高梁的承载力并改善挑梁根部的延性;而北京市建筑设计研究院副总工程师则认为挑梁下部受压钢筋应配置1/2的上部钢筋面积,以减少因徐变而产生的挑梁的附加弯矩。

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图2.1

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图2.2

《混凝土规范》第9.2.4条规定悬臂梁的顶部钢筋不应在梁的上表面截断,而应下弯,角筋以外的其他钢筋应在梁底边锚固。如图2.1,但规范这种做法施工复杂,当悬臂梁顶面钢筋较多时,这种矛盾更为凸现,目前多数施工中都会采用分离式配筋如下图2.2。一般变截面端跨配筋示意图如下2.3。

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图2.3

3、其他特殊悬挑构造

(1)相交悬挑梁

在建筑的角部,经常会出现如图2.4(a)(b)所示相交伸出的梁,两根相互伸出的边梁在角部交叉(假设伸出长度L1小于等于L2在角部交叉)。角部边梁按刚度大小分担荷载,在楼层角部边梁截面尺寸一般相同。当两方向伸出长度L1与L2相等时,两根梁的线刚度相等,则两根边梁平分板上传来的荷载,此时为双向悬挑梁关系; 当两方向伸出长度L1与L2不等时,则L1方向的梁相当于主( 框架) 梁,L2方向的梁相当于次( 框架) 梁,此时为主次梁关系。当两个方向长度相差不是很大的情况下,长跨的梁仍有悬挑受力的成份,此时需要通过计算复核是否为双向悬挑关系。

在实际设计过程中,有工程师在进行梁配筋时,往往认为此结构均为双向悬挑梁,从而将图2.4中相互伸出梁均按悬挑构件编号,此时的梁在实际受力时存在较大安全隐患。若编号为悬挑构件,则在两根梁的相交角点处,两边梁的钢筋均按图2.3 中悬挑梁端部进行构造,而此构造上部和下部钢筋均是按弯矩为0的考虑,因而不能承担弯矩。而实际计算时,在两根梁相交的角部往往存在弯矩和剪力,故此处存在安全隐患。建议在设计相交伸出梁时,将L1方向的梁编号为悬挑梁,L2方向的梁编号为框架梁。同时,根据结构双向伸出梁的受力特点,当结构为双向悬挑梁时,在配筋时可有意加强L1与L2方向梁的底筋; 当结构为主次梁时,在配筋时可有意加强L2方向的梁面筋。

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图2.4 相交伸出梁

(2)单柱双侧悬挑

在屋顶构架、雨篷等结构设计过程中,经常会碰到如图2.5 所示单柱双侧悬挑结构。此种结构在配置钢筋时应按受力要求,两边分别编号为纯悬挑梁 XL,或者绘制专门的配筋详图。此时每边的悬挑构件纵筋均按照纯悬挑构件要求分别锚入柱子中。很多工程师在结构设计此类结构过程中,直接将此结构编号成 KL( 1B) ,往往造成在结构施工过程中,梁柱节点部位均按照国标图集 16G101-1 中的顶层中间节点的面筋及底筋连续通过柱截面,造成不能将悬挑梁的根部弯矩传到柱中的情况,从而影响结构安全。

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图2.5 单柱双侧悬挑构件


悬挑构件工程施工问题呈现

案例1:某体育场中斜向悬挑大梁箍筋配置有误,如图3.1

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图3.1

原因分析:由于悬挑大梁是斜向上的,与柱不是正交,因此按照图3.1所示的箍筋配置,则会出现支座附近梁的上下部箍筋间距不均匀,且梁的下部箍筋间距很大,不满足规范要求,或在梁的上部箍筋间距很密甚至是摆放不下,施工困难的情况。

改进措施:将箍筋垂直地面配置于梁中,此时可保中箍筋间距均匀,满足规范要求;斜度较大时,可保证梁上部箍筋间距满足规范要求的情况下在梁的下部适当增加箍筋,箍筋应当做成封闭箍,箍筋四角应钩住梁的纵向受力钢筋和腰筋,此箍筋间距应满足规范要求,如下图3.2

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图3.2

案例2:某项目通道口上方混凝土雨篷整体塌落。经专家调阅设计图纸和现场踏勘调查,雨篷塌落主要原因是:雨篷设计做法为与阳台一起现浇,实际施工为后浇筑,且未经设计认可;钢筋连接改用植筋方式,且钢筋排数、位置、间距均与设计不符;植筋锚固深度不符合规范要求;雨篷面层做法与设计不符,荷载超过设计要求;新旧混凝土交界面未做凿毛处理。

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总结

在建筑结构设计过程中,钢筋混凝土悬挑梁、悬挑板等悬挑构件是最常用的构件类型之一。现行结构设计规范对钢筋混凝土悬挑构件没有特别明确的规定,以致在实际工程设计中常会出现各类问题,诸如构造配筋不足,结构安全无法保证;有些构造配筋过于保守,造成结构施工困难,更造成不必要的浪费等。

(一)对于悬挑构件我们更应该从以下方面来把控:

1、悬挑部位应采取降低结构自重的措施;
2、悬挑部位结构宜采用冗余度较高的结构形式;
3、结构内力和位移计算中,悬挑部位的楼层宜考虑楼板平面内的变形;
4、7度或8度抗震设计时,悬挑结构应考虑竖向地震的影响;
5、抗震设计时,悬挑结构的关键构件以及与之相邻的主体结构关键构件的抗震等级宜提高一级;
6、在预估的罕遇地震作用下,悬挑结构关键构件的承载力应符合不屈服的要求。

(二)对于悬挑构件常出现的工程问题总结如下:

1、抗倾覆能力不足
2、模版支撑方案不当
3、主筋放置不当(错位、变形)
4、施工超载
5、拆模过早


参考文献:

1、朱炳寅,建筑结构设计问答及分析(第三版)[M],中国建筑工业出版社社.
2、混凝土结构设计规范(2015年版):GB50010- 2010[S],中国建筑工业出版社.
3、高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ3-2010[S],中国建筑工业出版社.
4、刘铮,建筑结构设计快速入门(第二版)[M],中国电力出版社.
5、百度文献.6、张志刚,钢筋混凝土悬挑构件设计中的若干构造分析[J]   建筑结构,2018,48(增刊),580-590.

文章转载于微信公众号【非解构】 ,作者XY

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