某大跨度鋼結構雨蓬設計

王威　王靈飛

[摘要]在建筑行業發展的過程中，施工技術在不斷的發展，同時建筑的形式也在不斷的創新，大跨度鋼結構在建筑施工中成為了一種十分常見的一種結構形式，這種結構在設計和施工的過程中對每一個部分都有著十分嚴格的要求，同時在這一過程中雨蓬也是一個十分重要的環節，其設計的質量對整個結構的質量有著重大的影響。本文主要結合工程實例對大跨度鋼結構雨蓬設計，以供參考和借鑒。

[關鍵詞]雨蓬；拱結構；異形截面梁

文章編號：2095-4085（2016）04-0069-02

當前，大跨度鋼結構已經成為一種十分常見的建筑結構形式，同時這種結構的體積比較大，和一般的結構形式相比存在著比較大的差異，所以其在設計施工的過程中都提出了更高的要求，對每一個構件和環節都應該嚴格的控制，雨蓬作為大跨度鋼結構當中的一個重要的構件也應該受到人們的關注和重視。

1.工程概況

某工程為觀演類的大跨度鋼結構建筑，大門的雨蓬是進入到主體建筑中必須要經過的一個區域，同時它也是觀眾對整個建筑形成第一印象的關鍵點，因此建筑設計師在對雨蓬的整體造型和構件形狀的具體尺寸進行設計的過程中都有了更高的標準和更加嚴格的要求，之所以這樣做是因為能夠使得雨蓬在成為一個結構的同時也能獨立的成為一個建筑，也就是說機構的構件要處在完全外露的狀態，雨蓬的玻璃面板上可以根據設計的需要設置一些裝飾，其余的部分都是和諧統一且不帶裝飾的。

2.結構布置

雨蓬的結構剖面圖如圖1所示，從圖中我們可以知道雨蓬主要是由以下幾個結構組成的，它們分別是兩道混凝土墻、5道圓錐管拱、異形截面梁、幕墻立挺和4根室內的鋼柱構。Gl是異形截面梁懸挑一側的封口元件，所以其不會設置到拱腳的位置上，只是扮演了橫向連系梁的角色，其自身的截面積也不是很大。G2和G3明顯朝著結構主體的方向傾斜，所以它也成為了室內部分和室外部分的一個重要的分界，在這個平面的內部還要完成幕墻立挺結構的設置工作，幕墻的下端要直接固定在主體結構和地下室外墻的最上端。G5設置在了豎直面的內部，和c4直接交叉在了地下室墻的頂部，G2、G3、G4、和G5借助異形截面鋼梁形成了一個整體，實現了無縫連接，這個整體具有良好的穩定性。在結構運行的過程中G3借助豎向短柱將整個建筑的荷載都傳遞給了混凝土墻，混凝土墻再將這些荷載傳遞給建筑的基礎結構。在室內的四根鋼柱會和結構頂端的鋼梁形成一個完整的框架結構體系，這樣也就對室內的異性鋼梁和懸挑梁構成了一定的支撐作用，在結構中要對背面的鋼柱設置牛腿，這樣就可以對相鄰的混凝土結構形成支撐。異形梁截面如圖2所示，從G2開始到G5形成了一個貫通的梁，其截面為D高度h主要是要按照建筑建設的實際需求來進行一定的線形變化的，只是連接G2和G3的異形梁可以選擇截面E，其高度h也是隨著建筑自身的變化而出現對應變化的，順著拱的方向，異形梁的高度也不是一成不變的，同時在方向上也可能產生一定的轉變高度變化的范圍是450～600mm，拱頂位置截面的高度達到了最大水平，拱腳處的截面高度達到了最低水平。

3.整體模型分析

分析軟件采用3D3S9.0，異型截面按照實際情況建模，變高度異型梁做分段處理。

3.1荷載工況與組合

荷載考慮恒荷載、活荷載、雪荷載、風荷載、溫度荷載和地震作用等6個工況。其中風荷載考慮前風、后風、左風、右風四種情況。

荷載組合考慮如下情況：

（1）1.35恒載+1.40x0.70活載；（2）1.20恒載+1.40活載；（3）1.20恒載+1.40風載；（4）1.00恒載+1.40風載；（5）1.20恒載+1.10溫度荷載；（6）1.00恒載+1.10溫度荷載；（7）1.20恒載+1.40活載+1.40x0.60風載+1.10x0.70溫度荷載；（8）1.20恒載+1.40x0.70活載+1.40xO.60風載+1.10溫度荷載；（9）1.20恒載+1.40x0.70活載+1.40風載+1.10x0.70溫度荷載；（10）1.00恒載+1.40風載+1.10x0.70溫度荷載；（11）1.20恒載+1.20x0.50雪載+1.30水平地震+1.30x0.5豎向地震。

3.2結構動力特性

動力結構從某種角度上來說就是結構自身的重量和剛度分布在宏觀上的具體表現，它可以對結構在地震作用下的整體性予以判斷，同時也可以對暴露在外的結構對地震作用較為敏感的薄弱部位予以確認。其動力性特征如圖3所示。

第1振型為室內部分的側向平動，原因是北側柱牛腿承擔了相對自身側向剛度來說很大的豎向荷載。第2振型和第3振型為G2及其所連的異型鋼梁上下振動，這說明由于G2是斜放的拱，豎向剛度被削弱，從受力上更接近一根曲梁，異型鋼梁做為懸挑構件支承著G2，由此可見結構的豎向地震力不容忽視。第4振型為第1振型的高階形式，之后的許多階陣型均表現為第1和第2振型的高階或組合形式。

3.3線性屈曲分析

在恒+風（風壓力）作用下，結構線性屈曲特征值最低，第1階屈曲特征值為17.3，第2階屈曲特征值為19.9，可見線性結構穩定系數遠高于網殼規范規定的穩定系數5。

3.4內力計算結果

G2、G4和G5內力主要是軸力，G2最大軸壓力為831.6 kN，出現在柱腳部位，G2出平面計算長度取第1階線性屈曲模態的1/4波長，近似為15m，長細比為147，穩定應力比0.47。G4、G5平面內外均有支撐構件，基本是強度控制，G4最大軸壓力為1550kN，應力比0.32，G5最大軸壓力718kN，應力比0.34。G3受力較復雜，軸力、彎矩、剪力、扭矩均不可忽略，最大應力比為0.68。

3.5位移計算結果

室內北側柱頂最大水平位移為25mm，最大容許位移為7648/300=25.5mm；拱3頂部水平位移23.7mm，拱豎向矢高7808，按H/300控制，最大容許位移為7808/300=26/03mm，水平位移滿足規范要求。

室外部分最大豎向撓度93/4-12/9=80.5mm，懸臂跨度L=12696mm，撓跨比為1/315；室內部分主梁最大撓度20.1mm，跨度11583mm，撓跨比1/576；室內部分次梁最大 撓度17mm，跨度16560mm，撓跨比l/974，豎向撓度滿足規范要求。

4.結語

在對某工程的雨棚設計進行全面論述之后，我們可以看出來，雨蓬結構自身具有著十分明顯的復雜性，同時構件是異形截面的形式，模型采用的是真實的截面形狀模擬形式，這樣也就使得計算的誤差降到了最小的水平。其次是在異型復雜截面構件計算的過程中，并沒有一個相對較為統一的依據，所以一定要對其開展更加全面的分析，只有這樣才能保證構件設計的安全性和科學性。