钢桁架在大悬挑大跨度结构中的应用与分析

孙 峣，李建军，孟祥良（天津大学建筑设计规划研究总院有限公司， 天津 300000）

1 工程概况

本工程为四川省某新建旅游服务综合体项目，分为高层和裙房部分，地上总建筑面积为 4.4 万 m2。高层部分为酒店和商务办公，分别为 11 层和 9 层，建筑高度为 46.5 m 和 47.9 m，采用钢筋混凝土框架剪力墙结构；裙房部分为酒店配套和游客服务中心，地上 4 层，建筑高度为 21.3 m，采用钢筋混凝土框架结构。

根据建筑方案，裙房的出屋面两侧造型为悬挑结构，悬挑长度为 15.7 m，宽度为 33.6 m；裙房首层的入口大厅处设置大跨度悬挑雨蓬，最大跨度为 21.45 m，悬挑长度为 5.5 m，如图 1 所示。结合建筑造型和主体结构布置，本工程在上述两处位置分别采用了平面钢桁架和空间钢管桁架结构。本文对该结构方案和节点做法进行了详细阐述，为以后同类型的大跨度大悬挑方案提供设计思路和方法。

图1 旅游服务综合体立面图

2 出屋面悬挑结构

裙房出屋面的两侧造型为悬挑结构，造型高度为 6.0 m，悬挑长度为 15.7 m，宽度为 33.6 m，本处结合建筑造型可采用悬挑桁架方案[1]。当采用混凝土桁架[2]，其优点为耐久性好，缺点为自重较大、桁架杆件支模困难，悬挑部分的支撑模板须待混凝土强度达到 100% 时方可拆除，影响屋面其他位置的施工进度，且外包铝板幕墙需设置较多预埋件，施工不方便。钢结构桁架[3]的优点为自重较小、吊装方便、幕墙龙骨连接简单、施工进度快，缺点为耐久性较差。考虑到此处无建筑使用功能及施工进度要求，本工程选用平面钢桁架方案。桁架结构平面图如图 2 所示。

图2 出屋面悬挑钢桁架平面图

结合下层混凝土框架的柱网布置，出屋面两侧各设置五榀钢桁架，桁架间距为 8.4 m，单榀钢桁架详图如图 3 所示。结合建筑造型要求，桁架悬挑部分的根部高度为 4.7 m，端部高度降至 1.5 m，上弦杆、端部斜腹杆截面为 H300 mm×300 mm×8 mm×18 mm，下弦杆截面为 H300 mm×350 mm×8 mm×18 mm，腹杆截面分别为 □250 mm×250 mm×10 mm、□150 mm×150 mm× 6 mm，桁架上下弦杆节点处设置面外水平系杆，截面为 H300 mm×300 mm×8 mm×14 mm，边跨两榀桁架之间设置上下弦水平支撑和垂直支撑，支撑均为交叉等边角钢 L110 mm×8 mm。钢材等级为 Q235B。桁架腹杆与弦杆采用焊接连接，水平系杆与弦杆采用栓焊连接，水平支撑与弦杆采用螺栓连接。钢桁架采用下弦支撑形式，主体混凝土框架柱伸出屋面高度 1.15 m，柱顶设置预埋锚栓与桁架下弦节点相连。

图3 悬挑钢桁架详图

桁架上、下弦杆的恒荷载为 1.0 kN/m2，上弦杆的活荷载为 0.5 kN/m2，上、下弦杆及端部斜腹杆的风荷载为 0.5 kN/m2。桁架结构计算时，将上述面荷载按桁架间距换算为线荷载。对于悬挑结构，内跨的恒、活荷载为有利荷载，因此在计算时，设置考虑内跨荷载和不考虑内跨荷载两个工况，对杆件和节点进行包络设计。桁架采用 3D3S 钢结构设计软件计算，经计算，桁架各杆件的强度、稳定性、长细比均满足规范[4]要求，杆件最大应力比为 0.75，为支座处的上弦杆，受压支座的反力为 1250 kN，受拉支座的反力为 485 kN，桁架端部最大挠度为 26.2 mm（相对挠度 1/1198），满足规范要求的 1/400。

由于桁架的悬挑长度 15.7 m 大于内跨长度 8.4 m，导致内跨支座处的拉力较大，经计算，受拉支座处的需设置 4 根 M42 预埋锚栓，同时应对框架柱进行受拉承载力复核。为了减小支座拉力和腹杆内力，结合建筑方案立面，将⑮轴的框架柱伸出屋面至桁架上弦标高处，桁架上、下弦杆均向内延伸至混凝土柱处，从而增大了内跨长度，减小杆件内力。经内力分析对比，受拉支座处反力由 485 kN 减小至 124 kN，相连腹杆拉力由 713 kN 减小至 507 kN。

3 入口处大跨度悬挑雨蓬

裙房首层的入口大厅处设置悬挑雨蓬，雨蓬正立面为倒梯形，侧立面为矩形，高度为 4.8 m，下皮标高为一层顶标高，入口大厅的一层顶结构平面布置如图 4 所示。

图4 裙房入口大厅一层顶结构平面图

由图 4 可知，雨蓬平面范围为④～⑧轴，悬挑长度为 5.45 m，宽度为 35.85 m。主体结构在④～⑦轴范围内为 2 层通高，⑤、⑥ 轴处的两个框架柱为跃层柱，柱高 11.6 m。当雨蓬以跃层柱作为支座时，会在柱高5.80 m处产生水平推力，由于柱中内侧没有混凝土楼板的约束，无法平衡雨蓬的水平推力，受力不合理。因此，仅在 ④、⑦、⑧ 轴的 3 个框架柱上设置雨蓬支座，在 ④～⑦ 轴间雨蓬结构为 21.45 m 的大跨度结构。由于结构中同时存在大悬挑和大跨度两种情况，结合建筑造型，本工程的大跨度悬挑雨蓬采用空间钢管桁架结构[5-6]。桁架平面布置如图 5 所示。

由图 5 可知，在 ④、⑦、⑧ 轴处的框架柱上设置三榀悬挑桁架 HJ-1，桁架高度为 3.1 m，悬挑长度为 5.45 m，桁架上、下弦杆均与框架柱连接，截面为φ299 mm×12 mm，腹杆截面为φ180 mm×10 mm；同时在悬挑桁架的端部和根部分别设置两榀面外桁架 HJ-2 和 HJ-3，桁架为两跨，跨度分别为 21.45 m、8.4 m，左右两端出挑长度为 3.0 m。桁架 HJ-2、HJ-3 高度同 HJ-1，上、下弦杆截面为φ245 mm×12 mm，分别支撑于 HJ-1的上、下弦杆节点处，腹杆截面为φ140 mm×6 mm。两榀桁架在上、下弦处均设置面外水平支撑，支撑截面为φ121 mm×5 mm（非交叉）。由三榀悬挑桁架、两榀大跨度桁架形成一个空间钢管桁架结构，桁架的各杆件之间均采用相贯连接。钢材等级为 Q235B。

图5 空间钢管桁架结构图

雨蓬结构所受荷载同出屋面的悬挑桁架，经计算，桁架各杆件的强度、稳定性、长细比均满足规范要求。杆件最大应力比为 0.71，为悬挑桁架 HJ-1 的根部竖腹杆。桁架 HJ-1 上弦支座的水平拉力为 527 kN，下弦支座的水平压力为 524 kN，支座竖向剪力为 577 kN。桁架 HJ-1端部最大挠度为 8.2 mm（相对挠度为 1/1341），桁架HJ-3的跨中最大挠度为 15.3 mm（相对挠度为 1/1395），均满足规范要求 1/400。

由计算结果可知，悬挑桁架 HJ-1的上、下弦杆与竖腹杆的相交节点处存在水平力和竖向力。由于根部竖腹杆的实际位置距离柱边支座处的水平长度为 300 mm（图5），使得节点处的竖向力需通过此段水平弦杆传至支座处，截面受到较大的剪力。这与桁架杆件只承受轴力的设计思想不一致。同时，该竖向力在支座处产生了附加弯矩，不利于支座受力。此时，可在支座处的水平弦杆上设置竖向加劲肋，提高弦杆的抗剪承载力和支座抗弯承载力。本工程采用了在框架柱上设置混凝土牛腿（图 6）的方案，将桁架节点处的竖向力直接通过竖向支座传至牛腿上，桁架上、下弦杆的水平支座仅承受水平力，从而简化了桁架杆件和支座的受力，提高了结构的安全度。同时，混凝土牛腿可作为施工期间钢结构吊装的支撑点，降低了施工操作难度，提高了安装精度。

图6 桁架下弦受压支座详图

悬挑桁架 HJ-1 的上、下弦水平支座分别为受拉、受压支座。对于受压支座，可按照常规做法，即在混凝土柱内设置预埋钢板、桁架弦杆与预埋板焊接。对于受拉支座，若仍按照受压支座的做法，则整个结构全部依赖于支座预埋板的抗拉承载力（即预埋锚筋的抗拉承载力）和上弦杆根部的焊缝抗拉承载力，结构安全性较低。本工程将预埋钢板换为预埋钢构件（图 7），钢构件截面为“十字”，长度为 500 mm，其中埋入柱中 350 mm，并在端部设置端板来增强预埋件的锚固作用，预埋件伸出柱外长度 150 mm，与切口后的钢管壁满焊，同时柱表面设置竖向预埋板与弦杆端部焊接。此做法不仅提高了预埋件的抗拉承载力，也增大了桁架弦杆与预埋件的焊接面积，从而大大提升了抗拉支座的安全性。同时，在受拉支座所在标高的框架柱内侧设置层间框架梁，以平衡桁架支座的水平拉力。

图7 桁架上弦受拉支座详图

4 结语

本文以四川省某新建旅游服务综合体项目为例，针对于该项目的出屋面大悬挑结构和首层大跨度悬挑雨蓬，分别采用了平面钢桁架和空间钢管桁架结构，并对结构的关键节点进行了方案对比和做法优化。主要结论如下。

（1）出屋面的大悬挑结构采用平面钢桁架、系杆、支撑体系，桁架承载力、稳定性、刚度均满足规范要求。为减小受拉支座反力和边腹杆内力，可延长桁架内跨长度。

（2）首层雨蓬采用空间钢管桁架形式，可同时解决大悬挑和大跨度问题，桁架承载力、稳定性、刚度均满足规范要求。

（3）在雨蓬悬挑桁架下弦杆的根部设置混凝土牛腿，将桁架节点处的竖向力通过支座直接传至牛腿上，简化了桁架弦杆和柱侧水平支座的受力，提高了结构的安全性。

（4）对于雨蓬悬挑桁架上弦杆受拉支座，将常规预埋板做法改为预埋钢构件，不仅提高预埋件的抗拉承载力，也增大了桁架弦杆与预埋件的焊接面积，从而提升了桁架受拉支座的安全性。