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摘要:悬挑开间是否设次梁,结构方案合理布置,悬挑结构整体性稳定验算。
关键词:悬挑开间;次梁布置;结构方案对比;
引言
建筑工程结构设计,是一项不完美设计工作,每个建筑因为其唯一性,建筑设计呈现出不同的特点,使得建筑结构设计没有唯一解。为实现建筑设计意图,结构设计师可采用不同结构方案布置,能得到不同视觉效果并满足其使用功能要求。如何实现建筑功能与结构安全性、经济性最优,就需要我们结构设计师在设计工作中,利用自己所学理论知识与工程经验,实现结构方案最优、性价比最高。
悬挑结构是我们设计中最常见的结构构件,有些建筑物为了造型及功能需要,做出较大悬挑房间或雨蓬,结构设计人在结构布置时,应采用最简洁的结构布置,达到最好的结构效果。
本工程是一个真实案例,一个中小学校教学楼与风雨体育馆之间,设有一个单跨连廊外挑雨蓬,连廊建筑平面是一个单跨框架结构,框架柱跨度3米,悬挑4米雨蓬、纵向柱距6.6米,结构简图如下图所示,共两层,一层层高5米;二层层高3.6米,二层仅是单跨3米的连廊。本地区抗震设防烈度是7度(地震加速度0.1g),场地类别是II类,基本风压值0.6KN/m2,按规范框架抗震构造措施提高一级按8度,提高后框架抗震等级二级。
结构设计师完成设计、校对后,我在审核时发现,结构设计师按下图方案一布置结构梁、柱,开间内布置了X向次梁L1(1A),最终配筋结果是轴KL2(2)底部钢筋比轴KL1(2)底钢筋还大,从图中可以看出,因悬挑跨度4米大于锚固跨3米,轴框架柱几乎处于受拉状态,轴KL2(2)受竖向荷载和内力都较小,应该是轴KL1(2)承担内力很大,KL1(2)梁底配筋应该比KL2(2)大很多才对。笔者审核时提出,可以取消跨中次梁L1(1A),按方案二进行设计修改,更经济合理。
为此我选取标准开间建模计算,采用以下两种结构布置方案试算,设计软件采用盈建科YJKS2.0.0版,梁、板、柱结构自重点取程序自动计算,连廓附加恒荷按2 KN/m2,活荷2.5 KN/m2;悬挑4米雨蓬附加恒荷按2 KN/m2,活荷取2 KN/m2考虑施工、高低屋面及后期检修。
根据两种结构布置方案计算结果,因为文章篇幅有限,两种结构方案计算结果中弯矩图、剪力图、计算配筋图和楼板配筋图就省略了,仅将框架梁、框架柱配筋图展示如下图所示:
在外部条件完全相同的情况下,方案一在开间内增设次梁XL,目的是为了减少X向轴框架梁KL3(1A)梁顶配筋,从计算结果可以看出,增设次梁后,X向主框架挑梁的弯矩和配筋是变小了些,特别是轴KL3(1A)挑梁,次梁分担了部分X向弯矩,但Y向轴KL2(2)弯矩和配筋加大了。
从两种方案挠度图对比可以看出,方案一X向框架KL1(1A)悬挑端挠度减小2mm,框架边挑梁挠度减小0.8mm,但Y向轴框架梁挠度增大了0.5mm,而方案二各梁挠度均满足规范要求。方案一增加次梁对框架梁、板变形有利影响有限,可以忽略不计。
方案一因为设置次梁后,使得次梁支座框架梁处挠度加大,支座框架梁跨中发生变形,次梁卸载,结构内力重分布,最终还是由主框架挑梁承担荷载,这点从弯矩图和挠度图中都能反映。
经济比较:方案一设置次梁后,梁、板配筋合计5370.38Kg,梁、板混凝土用量为:21.54m3;方案二结构梁、板配筋合计4936.2Kg,梁、板混凝土用量为:20.18m3立方米。方案二比方案一节省钢筋用量434Kg,节省砼用量:1.32m3立方米,结构自重轻了3600Kg,使得整体结构基础和地震力都减少了,节省了次梁施工中模板量和人工费用,更经济合理。
在外部条件完全相同的情况下,通过上述比较,两种结构方案虽然都能满足建筑功能要求,但可以看到方案二的建筑观感和经济性更好。
值得注意的是,此项目存在一个不利因素,就是挑梁的锚固跨小于悬挑尺寸,整体结构抗倾覆力不满足要求。针对抗倾覆力矩小于倾覆力矩时,结构应采取措施:X向框架挑梁上部负筋至少第一排纵筋按受拉构件要求锚入3轴框架柱内,3轴框架柱纵向钢筋按受拉连接与锚固在基础内,框架柱基础采用抗拔桩或独立基础增加配重,平衡整体倾覆力矩,最终使得结构全楼抗倾覆力大于1.2倍倾覆力。
年轻结构工程师,在悬挑构件结构方案布置时,应清楚认识到,开间内布置次梁目的主要是为了分隔大跨度板和承托隔墙,使得结构板厚及配筋适当,尽可能减少悬挑构件自重,减少结构二次传力,简洁直接的传力路径才是最经济合理的。
结论:
综上所述对于悬挑结构,板跨与板厚适中,主框架挑梁梁高能满足建筑空间要求,开间内尽量减少次梁布置,是最安全、经济、合理的。