[分享]悬挑结构在建筑中的应用

发表于2020-01-14    230人浏览    1人跟帖    总热度:194  

华域设计 · 张福波 · 原创文章

悬挑,顾名思55284.com_【官方首页】-284万彩义,是一种从建筑物中伸出而尽端不设支撑的结构形式,因其夸张的表现手法和引人注目的视觉效果广受建筑师们的青睐,从古至今,悬挑结构就以纷繁多样的形式在建筑中不断表现出来,随着技术的不断进步,悬挑构件的尺度越来越大,应用也越来越广,对结构设计的要求也越来越高。


结构工程师技术水平的提高,一方面源于自己的不断努力,另一方面则来自于建筑师千奇百怪的想法,为了实现建筑的造型和功能,结构工程师不得不通过各种手段和方法去解决力学的相关问题,悬挑构件在力学上是静定结构,静定结构的定义是无多余约束的几何不变体系,撤销约束或不适当地更改约束配置就会使其变成可变体系,也就是说悬挑结构没有多余约束,支座处破坏了那么整个结构也就失效,除强度控制外,还有悬挑构件端部的转角和位移,如果端部变形过大,也会影响功能及使用,其力学原理如下:



w悬挑梁右端沿y向挠度

θB  悬挑梁右端处转角

A  点为悬挑梁根部,一旦破坏或形成塑性铰,则结构破坏。

 均布荷载作用下悬挑梁转角和挠度公式:



q为悬挑梁所受均布荷载

Ɩ 为悬挑梁长度

E为悬挑梁材料的弹性模量

I 为悬挑梁的惯性矩;I=bh³/12


从上述公式不难看出,当建筑的外形确定好以后,公式中的荷载q和长度Ɩ都是定值了,决定悬挑构件强度和变形的任务就落在弹性模量E和惯性矩I上,所以,最终所用的材质和截面决定了悬挑结构的尺寸和外观,如何通过技术手段实现悬挑结构的建筑造型,并且降低根部的截面尺寸,成为了结构工程师不断追求和努力的目标。
下面结合我院的一个项目讲讲悬挑构件在建筑中的实际设计和应用。


鹿特丹生活广场由沈阳万科开发,以儿童为主题集餐饮、娱乐、零售为一体的社区商业中心,平面形状为长矩形,外轮廓尺寸为147.6m×61.3m,地下3层,地上4层,结构设计采用框架结构,项目整体体量虽然不算很大,但由于建筑功能的需求和后期使用的不确定性,要求结构全部梁高不得大于800mm,建筑中央及四周存在多处大悬挑的部位,梁高又限制在一定的高度内,无疑给结构师增加了设计难度,如何解决小梁高实现大悬挑的问题,成为整个设计的一大难点。


△ 结构计算模型

55284.com_【官方首页】-284万彩为实现中庭无柱大开敞的效果,商场中部悬挑成为整个设计的交点,挑出长度8.4m,端部还设有双扶梯,设备管线都集中在走廊的顶部,整个挑出梁高不能超过800mm,此处就涉及到两个问题,一是满足悬挑梁的强度要求,第二需要严格控制挠度,如果挠度过大,直接会导致扶梯无法运行,所以设计要求挠度不能超过20mm,设计难度进一步增加。

建筑和室内设计:柯路建筑 施工图:华域设计


首先我们采用钢筋混凝土结构进行试算,按建筑截面高度需求,计算结果可见,端部挠度远远超过要求限值。

△ 钢筋砼梁挠度计算结果

由前面的公式我们可知,荷载q和长度Ɩ都已经确定,只有材料的弹性模量E和惯性矩I没确定,所以先从材料入手,提高悬挑梁的强度,钢结构强度高可考虑采用钢结构,由于钢结构上面还有楼板,钢梁高度只能勉强取700mm高,计算结果如下,挠度还是达不到设计要求。


△ 钢结构梁挠度计算结果


前两种材料在800mm截面下都实现不了挠度的计算值,我们又想到型钢混凝土结构,因为型钢混凝土强度比钢筋混凝土高很多,并且截面可以按需要调整,前面的公式中,惯性矩I=bh³/12,h已经限制了,想要提高惯性矩,只有通过提高截面宽度b来实现,最后通过形成宽扁型钢梁来实现8.4m的悬挑,结合现场起拱控制住了挠度,通过计算满足了设计要求。


△ 型钢砼宽扁梁计算结果


项目的其他几处悬挑也分别通过不同的手段全部实现,期间也付出了院内很多设计师和总工的心血,现在项目已经施工完成并投入使用,一切运行良好,也验证了结构方案的可行性。


△ 建设期间和建成后的实际图片


悬挑结构在建筑的其他方面还有很多的应用,大的悬挑建筑更能体现结构工程师的设计能力和水平,实现悬挑的方式也还有很多种:空间桁架,钢架,网架,预应力等等,需要结构设计师研究和探索的方法还有很多,希望此文能够给大家多一些启发和引导,从而实现建筑的效果和功能。


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