本文转载自公众号Non-Structure（id:non-structure）
悬挑结构是建筑师常用的手法，在寥寥数笔勾勒出轻盈别致的建筑轮廓后，却给辛勤的结构工程师带来无尽的挑战与惆怅，悬挑结构的设计需要进行各种复杂的分析计算，每一个环节都不能掉以轻心……事不宜迟，先来欣赏一下建筑大师们的惊艳杰作吧……
01
不同结构类型的工程实例
1. 韩国釜山电影中心
是韩国釜山国际电影节开幕式和闭幕式的举办场地，位于釜山允台山，截至2013年7月被吉尼斯世界纪录评为世界最大悬臂式屋顶（悬臂85米），由奥地利建筑设计公司Cooper & Siebel设计，韩进重工承建。
在最初的抽象结构模型中，两个支点被定义为支撑巨型屋顶的刚性节点。实际上，两个支点共同构成了一个巨大的结构，它们的支撑方式也是弹性的。为了减少变形，在另一段增加了一根拉杆，使整个屋顶的变形减少了15%。虽然这根杆最初并没有包含在建筑方案中，但它发挥了如此大的作用，而且相对纤细，不会对建筑效果造成太大的影响，所以后来就被采用了。
原始模型图
后期深化模型图
2.意大利佛罗伦萨体育场看台
钢筋混凝土梁板结构，雨棚梁延伸17m。
3. 成都体育场看台棚
悬挑梁为工字形截面、设16处双柱双梁变形缝的分块拼装后张部分预应力混凝土结构，共布置104个双向对称现浇钢筋混凝土看台架和分块拼装悬挑雨篷结构。
4.上海世博会中国馆
设计采用钢混组合结构，总高度68m，柱体间楼板逐层向上抬升，形成四面拱冠造型，四个柱体外侧标高33.3m，总抬升截面800mm×1500mm。20根方钢管混凝土斜撑在标高38.7m至60.3m处作为楼面体系的竖向支撑，形成建筑的倒梯形造型。屋面悬挑部分施加水平预应力。
欣赏完这四种悬臂结构，习惯做常规设计的攻城工程师们可能会深吸一口气……抽根烟冷静一下。大部分结构工程师都不会接触这么复杂的项目。下面我们就来看看常规悬臂结构设计需要注意的事项。
02
传统悬臂结构设计的考虑因素
常规的悬挑结构有建筑工程中的雨棚、屋檐、外阳台、悬挑连廊等。这种结构是从主体结构上悬挑梁或板形成的悬挑结构，本质是梁板结构。悬挑梁在悬挑端无支撑结构，视野开阔，空间布局灵活。它的缺点是在结构固定端有较大的倾覆力矩，设计时除考虑结构的强度和变形外，还应注意结构的抗倾覆稳定性。
1 悬臂结构简化计算
一般民用建筑轻型悬挑板根部厚度为跨度的1/10，一般来说，悬挑板尺寸不宜超过1.5米，不过我刚毕业时看到一位老工程师做2米的悬挑板，根部厚度为200mm，裂缝计算通过，无安全问题。悬挑梁跨高比一般为1/6，悬挑结构简化计算图如下：
以下是常规土木荷载作用下，不同悬臂长度的板厚与配筋的经验图表。
表 1
悬臂结构不必过于追求经济性，因为它并不是几倍超静定结构，安全储备要比常规构件大，一般需乘以一个增大系数。
2.悬臂梁板施工
（1）悬臂板
悬臂板厚度确定后，与其相邻作为支撑的板厚度应尽量与其接近，不宜小太多，否则相邻部位需设轴以平衡内外负弯矩，同时也要避免悬臂板支撑处的梁受扭转或剪力墙受弯矩。另外钢结构悬挑雨棚，虽然悬臂底部正弯矩为零，可按最小配筋率配筋，但大悬臂底部应配置足够的抗压钢筋。为减少板坯徐变引起的附加挠度，有专家建议下部钢筋应为上部拉筋的1/3~1/2，间距约150m（为防止混凝土开裂需更近间距）。
（2）悬臂梁
朱先生认为，一般情况下，悬挑梁主要用来承受竖向荷载，可以考虑不按框架梁的要求来设计，当悬挑梁根部顶部钢筋较多时，可适当增加梁底部结构筋（受压钢筋），以增加梁的承载力，提高悬挑梁根部的延性；北京市建筑设计研究院副总工程师认为，悬挑梁底部受压钢筋应按上部钢筋面积的1/2配置，以减少悬挑梁附加弯矩引起的徐变。
图 2.1
图 2.2
混凝土规范第9.2.4条规定，悬臂梁的顶筋不应在梁的上表面切断，而应向下弯曲，除角部钢筋外的其他钢筋应锚固在梁的底部。这种方法施工复杂，当悬臂梁顶面钢筋较多时，这种矛盾更加突出。目前，大多数施工都会采用如图2.2所示的分离式配筋。一般变截面端跨配筋图如图2.3所示。
图 2.3
3.其他特殊悬臂结构
（1）相交悬臂梁
建筑物转角处，常有如图2.4(a)(b)所示的相交梁，两根互相向外延伸的边梁在转角处交叉（假设转角处延伸长度L1小于或等于L2），转角边梁按刚度分担荷载。楼面转角处边梁的截面尺寸一般相同，当两个方向的长度L1、L2相等时，两梁的线刚度相等，两边梁将荷载均等分担，此时从板传递的荷载为双向悬臂梁关系；当两个方向的长度L1、L2不相等时，L1方向的梁相当于主（框架）梁，L2方向的梁相当于次（框架）梁，此时为主次梁关系。当两个方向的长度差不是很大时，大跨度梁仍然有悬臂力分量，此时需要通过计算来验证是否为双向悬臂关系。
在实际设计过程中，有的工程师在进行梁加固时，往往假设结构为双向悬臂梁，于是将图2.4中互相延伸的梁编号为悬臂构件。若编号为悬臂构件，则在两梁相交处，两边梁的钢筋均按图2.3中悬臂梁端部构造，而此结构上下层钢筋的弯矩均认为是0，因此不能承受弯矩。实际计算中，两梁相交的转角处往往同时存在弯矩和剪力，因此此处存在安全隐患。建议在设计相交延伸梁时，将L1方向的梁编号为悬臂梁，将L2方向的梁编号为框架梁。同时根据结构中双向延伸梁的受力特点，当结构为双向悬臂梁时，在配筋时可以有意加强L1、L2方向的梁底部配筋；当结构为主、次梁时，在配筋时可以有意加强L2方向的梁表面配筋。
图 2.4 相交延伸梁
（2）单柱双悬臂
在屋架、雨棚等结构的设计过程中，我们经常会碰到如图2.5所示的单柱双面悬挑结构，在配置此结构钢筋时钢结构悬挑雨棚，应根据受力要求将两侧编号为纯悬挑梁XL，或绘制专门的配筋详图。此时各侧悬挑构件的纵筋均按纯悬挑构件的要求锚固到柱内，很多工程师在结构设计过程中就直接将此结构编号为KL(1B)，这往往导致在结构施工过程中，梁柱节点全部按照国家标准图16G101-1执行，顶部中间节点的表面筋和底部筋连续穿过柱截面，导致悬挑梁根部无法弯曲，弯矩传递到柱上，从而影响结构的安全。
图 2.5 单柱双面悬臂构件
03
悬臂构件施工中存在的问题
案例一：某体育场斜悬臂梁箍筋配置错误，如图3.1所示
图 3.1
原因分析：由于悬臂梁向上倾斜，且不与柱子正交，按照图3.1所示的箍筋配置方式，会造成靠近支座处梁的上、下箍筋间距不均匀，梁的下部箍筋间距较大，不符合规范要求，或者梁上部箍筋间距很近甚至无法布置，给施工带来困难。
改进措施：在梁内垂直设置箍筋，可保证箍筋间距均匀，满足规范要求；当坡度较大时，在保证梁上部箍筋间距满足规范要求的前提下，可适当增加箍筋，箍筋宜设为封闭式箍筋，箍筋四角应钩住梁纵向受力钢筋及腰筋，箍筋间距应满足规范要求，如图3.2所示。
图 3.2
案例二：某工程入口上方混凝土雨棚整体倒塌，经专家审查设计图纸、现场勘察后发现，造成雨棚倒塌的主要原因是雨棚设计时与阳台一起现浇，但实际施工为后浇，且未得到设计方认可；钢筋连接改为预埋钢筋方式，钢筋数量、位置、间距与设计不一致；预埋钢筋锚固深度不符合规范要求；雨棚面层与设计不一致，荷载超过设计要求；新老混凝土界面未做毛化处理。
04
总结
在建筑结构设计过程中，钢筋混凝土悬挑梁、悬挑板等悬挑构件是最常用的构件类型之一，现行结构设计规范对钢筋混凝土悬挑构件并没有特别明确的规定，导致经常出现各种问题，如结构配筋不足，无法保证结构安全；有的结构配筋过于保守，导致结构施工困难，造成不必要的浪费。
（一）对于悬臂构件，应从以下几个方面进行控制：
1.应采取措施，减轻悬臂部位结构自重；
2、悬臂结构宜采用高冗余度的结构；
3.结构内力与位移计算时，应考虑悬挑部位楼板的变形；
4.按7度、8度抗震设计时，悬臂结构应考虑竖向地震的影响；
5.抗震设计时，悬挑结构的关键构件和相邻主体结构的关键构件的抗震等级宜提高一级；
6.在预测的罕遇地震作用下，悬臂结构关键构件的承载力应满足非屈服要求。
（二）悬臂构件常见的工程问题概括如下：
1.抗倾覆能力不足
2.模板支撑方案不当
3.主筋布置不当（错位、变形）
4. 施工超负荷
5.脱模过早
参考：
1.朱秉银，建筑结构设计与分析问答（第3版）[M]，中国建筑工业出版社。
2.混凝土结构设计规范（2015版）：GB50010-2010[S]，中国建筑工业出版社。
3.高层建筑混凝土结构技术规范：JGJ3-2010[S]，中国建筑工业出版社。
4.刘政，建筑结构设计快速入门（第二版）[M]，中国电力出版社
5.百度文学
6.张志刚,钢筋混凝土悬臂构件设计中的一些结构分析[J]建筑结构,2018,48(增刊),580-590。
