孙功
湖南省第六工程有限公司，长沙 410000
摘要：以重庆金宝陵谷项目为工程实例，分别介绍了工程概况，对塔形结构设计方案进行比选，以SATWE软件对结构进行整体计算分析，将挑檐进行合理的受力简化分析，并给出挑檐设计大样及配筋示意图，以整体计算与关键节点设计相结合的方法简析仿古建筑大悬挑结构设计。
关键词：塔形仿古建筑；钢筋混凝土大悬挑；结构设计
Design and Analysis of large cantilever structure of reinforced concrete archaize building
SUN Gong
(Hunan Sixth Engineering Co. LTD，Changsha 410000,China)
Abstract: This paper takes chongqing Jin Baoling valley project as an engineering example, respectively introduces the project survey, design of tower structure comparison, SATWE software to calculating and analyzing the overall structure of simplifying the overhangs the reasonable stress analysis, and gives its relative canopy design details & reinforcement plan, to the overall calculation and design method of combining the key node analysis archaize building large cantilever structure design.
Key words: Tower style archaized architecture; Reinforced concrete cantilever; The structure design
0引言及问题提出
传统古建筑多以木结构为主，在古建筑的造型和建筑整体的传力受力等方面木结构都有自身独特的特点，伴随着社会的进步与发展，木结构在防腐及防火等方面的缺陷，增加了建筑的维护费用。新材料、新技术在仿古建筑上的应用，使独具风格的古建筑文化得以继承和发展。仿古建筑中，钢筋混凝土结构代替传统木结构，改变了木结构以组合受力为主的受力体系，将古建筑的造型如斗拱等作为装饰构件，在建造和维护费用方面具有明显优势，同时保留了传统古建筑的神韵，达到了仿古效果。
在钢筋混凝土仿古建筑中，大悬挑的飞檐往往是结构设计的主要问题，而仿古塔楼一般都是下大上小的渐收结构，一般一层一收或者二层一收，造成了结构的复杂转换和荷载传递的复杂性，这是钢筋混凝土仿古建筑大悬挑结构设计中需要考虑和解决的关键问题。本文以重庆市南川区金宝陵谷项目5#栋为工程实例，对仿古建筑大悬挑结构设计进行分析，总结设计体会，为仿古建筑大悬挑结构设计提供些参考。
1、工程概况
该仿古建筑位于重庆市南川区，外形为典型的塔形建筑。建筑总面积为16045.67 m2，基底面积1568.16m2，地下两层，地上十三层，结构总高度59.3 m。主要功能用途，一层为主佛大厅，其余层为骨灰安放间。由于使用功能的需要，为减少采光，不同于一般的仿古塔楼建筑，本工程将外围每层的挑檐降至层间，这对于结构设计及方案的确定也是一关键问题。项目整体及塔楼效果图如图1所示。
.png)
本工程结构设计使用年限为50 年，采用钢筋混凝土框架剪力墙结构形式，嵌固部位为负一层楼板，建筑结构安全等级为二级，建筑抗震设防类别为标准设防类，框架结构抗震等级为四级，剪力墙、斜柱抗震等级为三级，地基基础设计等级为乙级。基本风压取0. 40kN/m2 ，基本雪压取0. 50kN/m2。抗震设防烈度6度（0.05g，设计地震分组：第一组），建筑场地类别II类，场地特征周期0.35S。根据地勘报告，场地地质稳定，无新活动断裂发育，无液化土层，地下水、土对钢筋微腐蚀性，可不做特殊防护。
2、结构方案的比较与优选
该建筑二层及十二层建筑平面图如图2所示。根据建筑的使用功能和结构的整体受力，确定两种结构布置方案，分别为框架柱多级转换及钢筋混凝土梁悬挑方案、斜柱及桁架支撑悬挑方案，以下分别对两种方案进行介绍和分析，比较二者的优缺点，从整体角度分析确定最优结构布置方案。利用PKPM软件进行结构建模计算，两种方案的结构模型如图3所示
.png)
2.1多级转换及混凝土梁大悬挑方案
由建筑平面布置及结构模型可知，外围框架柱仅伸至三层楼面，三层楼面以上外围框架柱立于楼面悬挑梁之上，形成转换结构。挑檐与转换柱和楼面梁固结，形成三角形桁架。在此方案中，四层楼面梁悬挑长度3.450m，在角部悬挑长度4.879m。利用转换柱外挑檐口，挑檐斜梁平面挑出4.196m，在角部挑出7.486m。随着主体结构向里收进，外挑长度逐渐减少，直至十二层楼面处内收至主框架柱。
柱子的多层转换及梁的大悬挑对于结构的整体受力是不利的，由于悬挑长度过大，造成结构整体扭转较严重；悬挑梁作为挑檐及挑檐上装饰构件（如斗拱等）的主要受力构件，在其端部所受弯矩较大，同时挑梁也受剪扭作用，从而使挑梁配筋加大，不具有经济性。
2.2斜柱及桁架支撑悬挑方案
如图3斜柱模型所示，一层以上部分的外围柱采用斜柱，考虑挑檐带给建筑整体的扭转作用，在建筑一至六层角部两侧各加一根斜柱；内部主框架柱采用圆柱，圆柱直径从底部至八层逐层减小。随着外围框架柱向内倾斜，与内部主框架柱逐渐接近，八层楼面至顶层去掉内部框架柱，仅保留外围斜柱。斜柱柱距有8.1 m、11.3 m、9.7 m、7.3 m不等，为减小挑檐悬挑梁间距，于斜柱间增加挑檐悬挑梁，同时在悬挑梁根部增加梁上柱，这种结构布置方式比直接在挑梁上起柱受力更安全可靠。
挑檐梁直接在斜柱及梁上柱挑出，下部设置斜撑杆与斜柱固结相连，从而形成三角形桁架，传力更明确简单，受力更加合理。
2.3方案的优缺点比较及结构设计方案的选定
本工程结构主体高度控制在60 m以下，若采用多级转换和混凝土梁悬挑方案，相对于采用斜柱及加支撑的桁架悬挑方案而言施工比较方便，可以避免斜柱斜率和定位控制以及支模的复杂性。但由于柱的多级转换且在八层楼面处仍需对柱进行转换，属于高位转换，需要进行超限高层建筑工程抗震设防专项审查。若采用此种方案，挑梁的设计如图3所示，需要在挑梁上起柱，然后将悬挑梁与转换柱相连，结构在风荷载和地震作用下，挑檐所带来的扭转对结构整体和节点受力较复杂。
采用斜柱及加支撑的桁架悬挑方案进行结构设计，挑檐梁大部分可直接由外围斜柱上挑出，仅少部分为从主框架梁上的梁上柱挑出，避免了在悬挑梁上转换，增加了结构的安全性。在柱多级转换的方案中，挑檐梁均是与转换柱相连，设置斜撑杆下端与转换柱低端相固结，形成三角形桁架，若楼面挑梁出现断裂，则整个外挑檐均会掉落，所以需要保证楼面挑梁足够安全。从结构受力及安全性和经济性方面考虑，斜柱及加支撑的桁架悬挑方案更为合理。
3、斜柱及加支撑的桁架大悬挑方案设计
3.1 SATWE整体计算及分析
由于建筑使用功能要求需减少室内采光，将挑檐下调至楼层处，对于结构建模并不能按照实际情况准确建出，所以将挑檐处产生的荷载转化为线荷载和节点荷载（包括水平力、竖向力和扭矩）分别输在上下层的主框架梁柱处，主体模型如图4所示。采用SATWE对结构模型进行整体计算，结构前四阶振动特性计算结果如表1所示，结构第1、2、3周期均为平动周期，第4周期为扭转周期，以扭转为主的第一周期和以平动为主的第一周期的比值T4/T1=0.37<0.90，满足规范要求。其他主要计算输出结果如表2所示，由表2可知，结构主要计算结果均满足相关规范限值的要求。
.png)
(1)外挑檐口与楼层标高不对齐，存在较多错层，外围框架斜柱受力复杂，通过将挑檐荷载输到主体框架梁柱相应位置，能够解决建模与实体有差别的结构分析问题，从而确保分析结果的有效性及准确性;
(2)为满足仿古建筑要求，结构构件节点复杂，与抗震要求相矛盾，因此在结构设计时，对重要节点位置进行加强，而不单靠软件计算结果进行设计，从而确保节点设计安全可靠。
(3)建筑存在较大悬挑，结构应进行竖向地震力的计算，以验算其自身及支承部位结构的竖向地震效应，本工程设计时，对于边框架梁柱的计算结果进行多模型包络设计，取主体模型与斜柱加挑檐模型的包络值，从而保证结构主体的安全可靠。
3.2建筑剖面图和结构平面图
采用斜柱布置方案时，结构平面逐层收进，每一层的平面布置均有变化，对应建筑剖面图及二层及十二层结构平面布置图如图5、图6所示。
.png)
3.3挑檐节点大样及受力分析
在钢筋混凝土仿古建筑中，飞檐的设计能够体现出古建筑的神韵，相对于钢结构和木结构，采用钢筋混凝土构件无论从技术还是经济角度来说都是合理的，其防火、耐久和后期维护成本都优于前二者。其与主体结构的连接和传力关系到构件设计的成败，以下对节点的受力进行简化分析，并给出挑檐节点大样。
1)挑檐设计荷载取值
琉璃瓦：1.5kN/m2；20mm厚卧浆：0.4kN/m2；30mm厚砂浆：0.6kN/m2；防水层：0.2kN/m2
20mm厚木板：0.15kN/m2；铝合金方管：0.24kN/m2；抹灰：0.4kN/m2，合计：3.49kN/m2。
挑檐檐口与水平面夹角为22°，则竖向投影荷载为：3.49/cos220=3.8 kN/m2。考虑其他不利因素取4.5kN/m2。斜檐活荷载为0.5kN/m2，板厚自重：0.12×25=3 kN/m2
2）边梁节点荷载计算
将挑檐节点进行简化设计，其计算简图及受荷简图如图6所示，利用结构力学求解器对节点处的力进行求解，并反算处支座反力，将线荷载和节点荷载输在相应梁柱节点处，进行结构整体计算。
.png)
3）挑檐大样及配筋示意大样
挑檐大样及配筋示意大样如图7所示，其中檐口大样一适用于建筑周边斜檐斜柱挑檐处，檐口大样二适用于建筑周边斜檐斜柱间挑梁处，檐口大样三适用于建筑周边斜檐挑梁间，檐口大样四适用于建筑周边斜檐四角挑梁。
.png)
4、结论
1）多模型结构分析及重要节点专项加强设计相结合的方法
（1）结构分析时所建结构模型应尽量与实体结构相符，若不能完全反应实际结构情况，则可采用多模型结合，取包络值进行设计；
（2）对于关键节点及细部设计，在薄弱部位应进行加强，不应单依靠软件的计算结果。
2）关键技术的设计施工要点
（1）相对于直柱，斜柱具有一定的倾斜角，对柱顶和柱底相连的楼面梁板会产生一定的水平推力，使楼板平面内产生较大的变形。因此，需要对斜柱及与之相连的水平构件的受力特征和内力进行详细分析，对薄弱部位采取一定的加强措施。
（2）斜柱的抗震等级提高一级，斜柱的纵向钢筋配筋率提高10%，并将柱箍筋做全高箍筋加密处理。
（3）仿古建筑的屋面设计及细部设计是一项复杂和综合性很强的工程, 是仿古建筑最终是否能达到效果和内在质量的关键因素。仿古建筑的屋面设计应考虑到建筑的造型要求进行选型，人为的在薄弱部位进行加强。
（4）在施工阶段，尽可能的发掘新的施工工艺和新材料，并传承地方传统的民族工艺和材料，以此实现仿古建筑最优的效果和效益的最大化。
参考文献：
[1]马炳坚.中国古建筑木作营造技术 (第二版 ) .科学出版社. 2003 .
[2]米文杰.仿古建筑结构设计分析.建筑结构,2013,(23):6266
[3] 王铁成,芦聪慧,赵海龙.古塔整体平移后的抗震性能分析与隔震改造.工程抗震与加固改造,2016,(5):136-150
[4]米文杰.仿古建筑结构设计分析.建筑结构,2013,(23):6266
[5]邓晓春.仿古建筑的结构设计.中外建筑，2006，（04）121-122