混凝土大悬挑（通用3篇）
混凝土大悬挑 篇1
1 引言
在公共建筑中,大悬挑钢结构雨篷的应用较为广泛。在实际工程中,由于主体建筑的条件限制,以及建筑对雨篷各方面的造型要求不同,使得大悬挑钢结构雨篷的设计需要采取不同的处理方法,并因此对应有不同计算模型。现有建成的钢结构雨篷,经常可见不合理之处,如在较大风荷载或雪荷载的作用下很容易发生结构的破坏,并且在今年的雪灾、地震中这种雨篷的破坏数见不鲜。本文对此类雨篷的情况进行了总结分类,分析了每种类型的雨篷所适应的主体情况,及建筑美观的优缺点,并且提出了各种雨篷类型相应的设计要点。
2 大悬挑雨篷的主体连接条件
对于大悬挑雨篷一般高度设置在首层顶标高处,即2层地面标高。因此其钢梁可与2层框架梁直接连接,钢梁间距也可小于柱距。对于拉杆上部连接点,一般由于2层层高较大(一般大于4m),而建筑又对拉杆上部拉结点高度有一定限制,所以拉杆上部连接点一般无法设置在3层框架梁上,只能设置在柱上;根据以上特点,拉杆的位置与数量都受到了一定的限制。
3 大悬挑雨篷的受力体系类型
根据实际情况,提出以下六种形式的雨篷结构(见图1~图6)。
各种类型雨蓬关键节点的连接方式及受力特征见表1。
为叙述方便,现定义垂直于建筑物方向的梁为横向梁,平行于建筑物方向的梁为纵向梁。
各类型雨篷特点如下:
A类型雨篷:为使两根拉杆对整片雨篷起到支撑作用,纵横杆件采用刚接节点。雨篷支座节点设计为铰接节点,拉杆则按拉压杆考虑,以抵抗风吸力作用。该类型雨篷支座节点设计制作均较为简洁;纵横向水平杆件大小均匀,较为美观,但纵横梁刚接节点处理较复杂。
B类型雨篷:与A类型基本相同。不同点是雨篷支座节点设计为刚接节点,拉杆则按单拉杆考虑,风吸力作用由支座刚接节点抵抗。该类型雨篷支座节点设计制作均较为复杂;但拉杆由于是单拉杆,因此长细比限制较小,所以较细,感官上更为轻盈。
C类型雨篷:纵横向水平杆件大小相差较大。横向杆件截面较大,纵向杆件截面很小。并且为使两根拉杆对整片雨篷起到支撑作用,在整片雨篷上方设置一根通长的圆管杆件。纵横杆件采用铰接节点,纵向杆件起到对横向杆件的侧向支撑作用,以减小横向杆件的长细比。支座节点及拉杆均同A类型一样考虑。该类型雨篷纵向杆件很细,可在一定程度上满足建筑对雨篷结构的轻盈性的要求;但上部拉杆较粗,通长圆管杆略显复杂。
D类型雨篷:与C类型基本相同,不同之处为雨篷支座节点设计为刚接节点;拉杆则按单拉杆考虑,在风吸力作用下,雨篷支座承担负弯矩,此时拉杆考虑受压失效。该类型雨篷除C型的优缺点外,又改善了拉杆的粗度,使得雨篷更加轻盈。
E类型雨篷:与C类型雨篷也比较相近。不同之处为,该类型雨篷设置四根空间拉杆,因此使得上部通长圆管杆件的粗度减小。同时在建筑美观方面使得雨篷较C类型雨篷更加轻盈,但拉杆的数量增多,而且从正立面来讲,出现了斜向线条。
F类型雨篷:与E类型雨篷也比较相近。不同之处为该类型雨篷支座节点设计为刚接节点;拉杆则按单拉杆考虑。该类型进一步使得拉杆粗度减小,较E类型更为轻盈。
4 荷载、作用及荷载组合
4.1 荷载
4.1.1 永久荷载
包括钢构件自重、玻璃连接件自重、玻璃自重。
4.1.2 活荷载及施工检修荷载
活荷载按不上人屋面活荷载取用0.5kN/m2,组合值系数0.7;
施工检修荷载为每隔1.0m取集中荷载1.0kN。
此两项荷载取其中一项。
4.1.3 雪荷载
在雨篷的设计当中,μr按《建筑结构荷载规范》表6.2.1中第8项取用。由该条可知,大多少数情况下雨篷都能满足μr=2.0的条件。
雪荷载组合值系数0.7。
4.1.4 风荷载
式中,μz为风荷载高度变化系数,按《建筑结构荷载规范》7.2条取用;μsl为局部风压体型系数,按《建筑结构荷载规范》7.3.3条取-2.0;βgz为高度z处的阵风系数,根据《建筑结构荷载规范》7.5.1条取1.0。
4.1.5 地震作用
根据《建筑抗震设计规范》可按竖向地震反应谱方法计算或按5.3.3条简化计算。在采用反应谱方法计算时可取水平地震影响系数的0.65倍来定义竖向反应谱(《网壳结构技术规程》(JGJ 61-2003)4.4.5条)。
4.2 荷载组合
根据《建筑结构荷载规范》采用荷载效应的基本组合对结构承载力极限状态进行验算,对基本组合的规定:
屋面活荷载不与雪荷载同时组合;
屋面活荷载及雪荷载与风荷载反向,因此不同时组合;
在永久荷载对结构有利时分项系数取1.0。由以上得到基本组合如下。
4.2.1 由可变荷载控制的基本组合
γG=1.2,γQ1=1.4,γQi=1.4,ψci按相应荷载取用。
在风荷载参与组合时γG=1.0
4.2.2 由永久荷载控制的基本组合
γG=1.35,γQi=1.4,ψci按相应荷载取用。
4.2.3 包括地震效应的基本组合
在只计算竖向地震效应时水平地震效应的分项系数γEh=0.0,且对一般结构在与地震效应组合时,对于一般结构构件风荷载组合系数ψw=0.0
其中SGE=1.0SGK+0.5Ssnow K所以
按《建筑抗震设计规范》5.3.3条,对于8度取SEv K=0.1SGE。
4.2.4 正常使用状态荷载组合
对于结构的正常使用计算状态进行验算时,应采用荷载效应的标准组合
5 杆件截面控制
5.1 雨篷横向梁
主要由计算应力与变形控制,一般变形为控制因素。长细比控制一般150。
5.2 雨篷纵向梁
对于A、B两种类型仍然受应力与变形控制,一般长细比150。
其余均按支撑控制200。
5.3 雨篷拉杆
对于A、C、E三种类型雨篷需按拉压杆控制,但由于在风载下受压控制250(《钢结构设计规范》5.3.9条注5规定为250)
对于B、D、F三种类型按拉杆控制长细比400,考虑在风荷载作用下杆件失效。
6 关键节点处理
6.1 纵横梁刚接点
纵横梁连接节点见图7。
A型、B型雨篷采用纵横梁刚接的做法。节点设计建议横向(垂直于建筑物方向)梁保持连续,纵向(平行于建筑物方向)梁在与横向梁连接处采用刚接连接。对于雨篷梁截面高度较大(大于250mm)的情况该节点较易布置,螺栓连接布置空间较大。但对于截面较小的情况,螺栓布置比较困难,所以上下翼缘连接不能采用不需垫板的熔透焊缝,以为螺栓的布置提供条件。另外,上下翼缘建议采用贴板予以加强,以保证节点刚度,也使得实际的受力与计算模型吻合。
6.2 支座刚接点
横梁支座刚接节点见图8。
对于B、D、F三种类型雨篷雨篷梁与主体建筑物采用刚接节点。对钢梁截面高度较小的情况下,腹板螺栓布置空间较小,所以采用腹板栓接较为不便。因此建议两端采用工厂焊接端板,现场与混凝土构件或埋板连接。对于梁截面高度较大的情况,可采用一般栓焊连接方式,实现刚接节点。
6.3 拉杆与梁连接点
拉杆下端节点见图9、图10、图11。
对于A、B两种类型雨篷可采用1方式连接,但对于A型由于在风吸力作用下连接板受压,应适当加劲板以减小连接板的宽厚比,以满足受压要求。连接板可布置于雨篷上玻璃缝位置,便于安装。C、D两种类型雨篷拉杆可采用2、3两种连接方式。对于E、F两种类型雨篷拉杆应采用2连接方式,由于拉杆对于连接板有平面外的拉力,因此采用2方式,可使通长圆管平衡该力,雨篷梁通过连接板与通长圆管连接,此时,连接板仍然保持轴向受力,避免了在平面外的弱方向受力,受力合理。
7 算例对比分析
按雨篷在北京地区进行算例分析,则基本荷载及参数如表2。
计算荷载(标准值)见表3。
雨蓬算例尺寸见图12。
根据以上情况采用SAP2000程序进行建模计算,得到较为经济合理的构件截面尺寸(见表4)及最终计算数据(见表5)。
根据以上数据分析总结以下几点:
1)各种类型控制因素均为位移,在此情况下各种类型的杆件(除拉杆外)截面相差不大,另结合施工难度考虑,各类型雨篷的经济性相差不大(见表3)。
2)对于B、D、F三种类型雨篷,在风荷载作用下向上的位移可观,甚至B型向上位移已经达到位移限值,因此在风荷载作用下雨篷的受力体系应酌情严谨考虑。
3)C型~F型雨篷纵向梁应力比很小,设计时可直接按长细比控制。
4)C、D型雨篷通长圆管梁应力比相对较大,在设计时可以作为主要调节对象,以使位移满足限值要求。
5)对于B型、D型、F型雨篷在设计计算时需要对拉杆进行设置,使其为单拉杆,受压时失效。
8 结语
大悬挑钢结构雨篷经常有不合理之处,在各种灾害或满载情况下出现事故也数见不鲜。本文对大悬挑钢结构雨篷的设计过程进行详尽总结,提出了杆件控制因素与关键节点的设计方式,并通过具体算例给出了设计建议,为今后的大悬挑钢结构雨篷的设计提供参考。
参考文献
[1]GB50009-2001建筑结构荷载规范[S].
[2]GB50011-2001建筑抗震设计规范(2008年版)[S].
[3]GB50010-2002混凝土结构设计规范[S].
[4]GB50017-2003钢结构设计规范[S].
[5]JGJ61-2003网壳结构技术规程[S].
钢骨混凝土悬挑梁设计研究 篇2
型钢混凝土 (SRC) 结构是把型钢 (S) 置入钢筋混凝土 (RC) 中, 使型钢、钢筋 (纵筋和箍筋) 、混凝土二种材料元件协同工作以抵抗各种外部作用效应的一种结构。它是钢-混凝土组合结构的一种形式, 其截面组成特征是型钢混凝土的钢材全部被包在混凝土的内部, 型钢和钢筋骨架的外面有一层混凝土外壳。型钢混凝土结构具有承载力高、变形能力强、延性性能优越、简化现场施工、适合我国国情和综合经济效益好等优点。与钢结构相比, 型钢混凝土结构节约钢材达50%以上, 降低了造价。
1 项目概况
某6层框架结构建筑, 顶上三层为商用写字间, 开间为4.25米, 进深为6.2米, 底下三层为商场, 由于商场门厅设计需要, 抽梁断柱, 形成一根悬挑12米的大梁, 承受上部三层的荷载。框架立面结构形式如图1所示。根据《建筑结构荷载规范》, 取楼面活荷载为2.0 k N/m2, 楼面恒荷载5.7 k N/m 2, 抗震设防烈度为7度近震, 抗震设防类别为丙类, 场地类别为II类, 50年基本风压为0.4kN/m。采用全现浇钢筋混凝土结构, 见图1。
2 设计方案
在结构设计过程中选用何种方法直接影响后期施工难度, 也要考虑造价等因素, 对于该工程普通钢筋混凝土现浇楼盖来说, 有两种方法可以实现大悬挑的要求, 两种方法在该工程中可以得到有机的结合及使用。
方法一:采用普通钢筋混凝土悬挑梁, 截面高度直接按强度和刚度需要计算所得。但此方法常受到建筑立面制约, 悬挑梁高度有一定限制, 对于悬挑跨度和荷载均不太大时可以采纳, 其优点是设计简单, 施工也方便。
方法二:采用型钢混凝土梁 (也称钢骨混凝土梁) , 即在普通钢筋混凝土梁截面内加入型钢, 其抗弯承载力比相同截面钢筋混凝土构件要高出1倍以上, 而且依靠所配置钢骨的腹板承受剪力, 其抗剪承载力也大幅提高, 因此可有效减小构件的截面尺寸。对于较大悬挑距离的悬挑梁可采用此法, 此法优点是梁承载力高、刚度大、变形小。
对此结构进行初步设计, 混凝土C40, 钢骨选用Q345B级钢材, SRC梁截面的确定基于跨度确定, 悬挑梁截面为1500×700mm2, 钢骨的截面采用H型钢, 用钢量暂取8%, SRC柱截面的确定基于框架柱的轴压比的要求, 截面为900×700mm2, 钢骨的截面形式采用H型钢, 配钢量取为4.5%, 连梁截面尺寸600×800mm2, 钢骨的截面采用H型钢, 用钢量取为4.8%。采用PKPM软件对此框架进行初步设计, 作出弯距、剪力和轴力包络图、节点位移图等, 取出悬挑梁极其支撑部分, 进行优化设计, 计算流程如图2所示。
悬臂梁的截面形式、配筋率对悬臂端弯矩的影响很大, 截面大, 悬臂梁自重就大, 相应的弯矩就大;配筋率大, 悬臂梁的刚度大, 分配到的相应弯矩就大;截面小, 自重小, 但变形就可能过大。
对悬臂梁进行优化设计, 定义悬臂梁的高度、宽度、配钢率为优化变量, 高度变化范围为1.2m～1.5m, 宽度变化范围为0.5m～0.7m, 根据SRC结构最大最小配钢率, 配钢率的变化范围为5%～15%, 根据悬臂结构的位移限制确定最大位移值为0.0624m, 定义悬臂梁支撑处的弯矩为目标函数, 采用零阶方法进行优化计算。通过多次试算, 悬臂梁最佳梁高、梁宽、配钢率分别为1.2m, 0.5m, 7%, 见图2。
3 结语
钢骨混凝土结构是近年来在大跨结构中经常采用的结构形式, 本工程中采用钢骨混凝土悬臂梁结构, 有效的降低了梁高增大了梁的悬挑距离, 取得很好的效果。
参考文献
[1]李骁春.钢骨混凝土悬臂梁优化设计[R].广州:第五届全国现代结构工程学术研讨会, 1995.
浅谈高空大悬挑结构的施工 篇3
随着经济水平的提高, 千篇一律的建筑越来越令人乏味, 对建筑外形的要求越来越引起民众的关注, 如今很多的建筑越来越新颖, 高空大悬挑就是其中之一。高空大悬挑造型从外观看给人留下深刻印象, 但这样的设计常给施工带来较大难度, 支模高度高、跨度大、荷载重。按照常规施工做法应该采取高支模方案, 但会导致支模所需钢管、扣件等材料多、人工较多、工期较长、施工场地占用大、安全性也较低等问题。因此, 在工期、安全、质量和经济性之间找到合适的支模施工方法尤为必要。
兰州某办公楼高空大悬挑施工就面临这样的问题, 根据以往设计施工经验, 针对此结构特点设计出一种高空大悬挑型钢桁架承重支模体系, 该施工方案的顺利实施证明这种承重体系具有实用性和安全性, 并且可以缩短工期。
2 工程概况
该工程位于兰州市安宁区, 地下二层, 地上二十二层, 结构总高度99m, 建筑面积28143m2, 主楼采用全现浇钢筋混凝土框架-核心筒结构, 裙房采用全现浇钢筋混凝土框架结构。
本工程大悬挑结构位于建筑物正南立面, 主楼结构从1～13轴自B轴在74.350m标高处向外挑出0.781m, 在78.350m标高处向外挑出1.558m, 在82.350m标高处向外挑出2.336m, 在86.350m标高处向外挑出3.113m, 在91.150m标高处向外挑出4.046m, 宽度均为36.30m如图1所示。悬挑主要构件为现浇钢筋混凝土梁和板。
3 工程难点及方案设计
3.1 工程难点
3.1.1 结构上部荷载大
上部共有5层悬挑结构, 部分梁高度达到0.7m, 荷载层层向下叠加, 对下部支撑体系提出更高要求。
3.1.2 高空大悬挑, 存在一定风险
本工程悬挑构件处在74.350～91.150m标高处, 且在90m以上其最大悬挑长度达4.046m, 对操作和施工来说都具有一定的危险性。并且上部荷载较大, 这就需要设计方案在保证承担较大的施工荷载的情况下更要保证施工的安全性。
3.1.3 主体结构施工工期紧, 结构砼强度上升慢
所有的施工荷载经支撑体系最终传向B轴结构框架梁上, 再通过框架梁传递到框架柱上最终完成力的传递。这样对结构混凝土的养护提出较高要求, 现场需加强混凝土养护, 保证结构构件的混凝土强度尽早满足设计要求。
3.1.4 存在高空交叉作业
由于该部位为高空大悬挑结构, 构件的支撑体系与外防护结构都需要搭设在下部的支撑体系上面, 其相互之间在操作上的交叉作业是一难点。
3.2 设计方案
3.2.1 设计方案
本工程悬挑结构共计5层, 由于第1层悬挑长度只有781mm, 采用常规钢管斜撑即可满足施工要求。2-5层支撑体系设计采用两层三角桁架式钢平台构造, 第2层悬挑构件由三角桁架的第一层三角架体支撑, 待第2层施工完毕后再搭设第二层三角架, 最终形成整体三角桁架, 作为3-5层悬挑结构施工的支撑体系。
三角桁架式钢平台由十三榀三角桁架通过横向连接 (横梁) 组成, 最终形成一个整体平台, 提供上部悬挑结构的施工平台、模板支撑平台及防护架搭设平台。两层三角桁架式钢平台构造, 自1～13轴在B框架梁上按3.0m间距布置十三榀, 三角架通过横向横梁连接组成, 形成一个整体。两层悬挑主梁为22a工字钢, 上层悬挑长度为4.5m, 下层悬挑长度为2.5m, 上层横向连接横梁为20a工字钢自1～13轴通长按0.9m间距设置5道;中间腹杆选用6.3号槽钢, 腹杆、横梁及主梁通过焊接在主梁上的连接钢板进行焊接连接, 悬挑结构平台与建筑结构间使用M24螺栓连接固定, 如图2所示。
3.2.2 设计方案验算
设计三角桁架间距为3m, 故取3m长一段架体作为计算单元进行验算, 计算模型如图3、4所示。
荷载取值:1) 脚手架自重0.16kN/m2;2) 模板自重0.5kN/m2;3) 钢筋砼自重24kN/m3;4) 活荷载标准值2.5kN/m2;5) 风荷载计算为0.35kN/m2。
按所选型钢和螺旋型号用迈达斯建模, 进行了主梁验算、腹杆验算、固定螺栓验算、支撑架体验算、横梁验算, 均满足规范要求。
4 施工技术
4.1 悬挑三角桁架及其上部模板支撑体系安装
1) 三角桁架施工顺序:在施工74.350m标高悬挑结构时, 采用常规普通钢管斜撑对悬挑构件进行支撑, 并在悬挑板与B轴框架梁相接处按照三角桁架布置间距预留200×200mm的孔洞, 作为三角架竖向腹杆与主梁连接位置。待74.350m标高结构施工完毕后, 即进行第一层三角架的搭设, 并在第一层三角架上搭设模板支撑, 作为78.350m标高处悬挑构件的支撑体系。并在78.350m标高悬挑结构板相同位置预留200×200mm的孔洞, 作为第二层三角架竖向腹杆与主梁连接位置。待78.350m标高结构施工完毕后, 即进行第二层三角架的搭设, 使整体桁架体系形成, 作为82.350～91.150m标高悬挑构件施工的支撑体系。
2) 三角桁架水平方向主、横梁搭设:22a工字钢主梁沿B轴方向从1轴梁边150mm起按3m间距均匀布置, 并在主梁上从主梁端部200mm起按900mm间距均匀布置5道20a工字钢横梁, 横梁与主梁间及横梁工字钢相连部位均通过加焊连接板进行固定, 利用5道横梁与三角架主梁间的连接, 使三角桁架形成一个整体受力体系。
3) 三角桁架垂直方向腹杆安装:在悬挑工字钢主梁上按照放样尺寸焊接连接钢板, 作为腹杆与主梁连接之用, 在下部结构框架梁上利用M24螺栓将连接板与结构构件固定牢固, 作为第一层三角架腹杆下部受力连接点。腹杆焊接时要根据放样尺寸将腹杆夹角控制在280, 并保持腹杆垂直方向竖直, 使力的传递始终在一条垂直线上。
4) 上部模板支撑体系安装:三角桁架安装完成形成整体桁架体系后就可以安装上部四层模板体系。
3.2 悬挑三角桁架及其上部模板支撑体系拆除
1) 模板、防护架及支撑架体的拆除必须从顶层开始, 逐层由上至下进行拆除, 按后装构件先拆, 先装后拆, 严禁上下同时作业。
2) 当顶层结构混凝土施工完毕后, 按要求对同条件养护试块强度进行试压, 必须待试块强度达到设计强度的100%时方可进行拆除作业, 以下每层要求一致。
3) 架体拆除作业应设专业人员指挥, 当有多人同时操作时, 应明确分工, 统一行动。
4) 连墙件必须随脚手架逐层拆除, 严禁先将连墙件整层或数层拆除后再拆脚手架;分段拆除高差不应大于2步, 如高差大于2步, 应增设连墙件加固。
5) 当支撑架体采取分段、分立面拆除时, 对不拆除的脚手架两端, 应先进行加固。
6) 各配构件严禁抛掷至地面, 运至地面的构配件应及时检查、整修与保养, 并按品种、规格堆码存放。
3.3 安全措施
1) 对三角桁架搭设层 (74.350m标高) 及以上的四层模板支撑体系, 自C轴至悬挑部位的架体均待主体结构完工后再进行拆除。
2) 在主梁两侧在楼面内焊接钢挡板, 防止主梁水平移动。
3) 在两层三角架上面均满铺竹脚手板, 并挤紧靠实, 用铁丝绑扎牢固。
4) 在每层的模板支撑架上加设剪刀撑, 使所有模板支撑架联接为一个整体受力, 以增加模板支撑体系的整体稳定性。
5) 在主梁尾部对主梁进行拉接, 以提高整体平台的可靠性。
4 结语
悬挑型钢桁架承重架在该办公楼高空大悬挑结构的成功实施, 大大减少了钢管、扣件等材料投入, 降低了劳动力强度, 安全可靠、工艺简单、且型钢可重复利用, 可在类似工程中应用。
参考文献
[1]李云青.高空悬挑结构型钢桁架承重架设计与施工[J].施工技术, 2011, 40 (增刊) :140-142.
[2]林伟, 连钰荣, 刘英杰, 等.高空悬挑混凝土结构支模架的设计及施工[J].浙江建筑, 2009, 26 (1) :54-56.
[3]谭波, 吴亦红.流花大厦悬挑结构挑架设计方案[J].国外建材科技, 2005, 26 (3) :96-99.
[4]JGJ162-2008, 建筑施工模板安全技术规范[S].2008.
[5]JGJ130-2001, 建筑施工扣件式钢管脚手架安全技术规范[S].2001.