輕鋼雨篷設計的常見問題及解決方案

謝得亮

輕鋼雨篷設計的常見問題及解決方案

謝得亮

近五年來，在深圳地區幕墻及外裝飾工程的施工圖強制性審查及咨詢過程中，發現有較多的輕鋼雨篷設計不符合規范要求，出現安全隱患。本文針對輕鋼雨篷施工圖設計與規范要求不相符等常見問題，進行分析，并提出相應的解決方案。

輕鋼雨篷；長期荷載；懸挑；扭轉

輕鋼雨篷的飾面材料主要有夾膠鋼化玻璃、鋁板、不銹鋼板等，屬于建筑的外圍護結構，其外型美觀、新穎，常被用于民用建筑和工業建筑中，尤其廣泛應用于民用建筑的公共建筑和居住建筑。

與輕鋼雨篷有關的規范主要有：《建筑結構荷載規范》GB 50009-2012、《混凝土結構設計規范》GB50010-2010、《鋼結構設計規范》GB50017-2003、《混凝土結構后錨固技術規程》JGJ145-2013、《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113-2015等。

圖1 雨篷鋼龍骨布置圖

圖2 帶拉桿雨篷縱梁彎矩圖

1.計算書常見問題

1.1 計算軟件、力學模型及鋼結構構造等存在的問題

雨篷鋼龍骨布置實例是一種典型的雨篷，在多個項目的施工圖審查中遇到（見圖1）。雨篷縱梁比較長，約6.0m，雨篷在ZL01縱梁上設置拉桿，縱梁側向間距2.0m，在縱梁前端，設置小方通橫梁。其存在的問題主要有：

1.1.1 采用Ansys等國外結構分析軟件出計算書。因Ansys等結構分析軟件通常用于復雜結構體系或物體的受力分析，但由于其沒有嵌入中國的結構規范，即沒有考慮壓桿穩定系數等因素，無法驗算結構體系和構件是否符合中國結構規范的要求。

1.1.2 采用Sap2000等國外結構分析計算軟件出計算書，雖該軟件嵌入中國的結構規范，但計算書缺按中國規范對結構構件安全的驗算。

1.1.3 采用3D3S、PKPM等國內結構計算軟件進行分析計算，但對構件的支座及約束定義不當，造成雨篷受力體系的不合理、不安全。上述例子中，存在相應的問題有：

1.1.3.1 ZL001縱梁的根部支座定義為固接，前端有拉桿，即在拉桿處為縱梁的支撐點。對該種類型的雨篷縱梁，根部固接對縱梁的截面選擇沒有多少幫助，只會增加連接及預件的要求?？v梁根部固接和根部鉸接的彎矩圖（見圖2）對比如下：

當縱梁根部為鉸接時，且當m=1.5m=L/3=4.5m/3時，縱梁的最大彎矩在跨中：

M1=q×m2/2=q×（L/3）2/2= q×L2/18

M2=q×L2/8

M3=M2－ 0.5×M1= q×L2/8-0.5×M1=0.097q×L2

鉸接縱梁的最大彎矩為0.097 q×L2

當縱梁根部為固接時：

當m=1.5m=L/3=4.5m/3時，縱梁的最大彎矩在支座處：

M1=q×m2/2=q×（L/3）2/2= q×L2/18

M2=q×L2/8=0.125 q×L2

固接縱梁的最大彎矩為0.125 q×L2。

可見，兩種類型的支座連接，固接縱梁的彎矩更大些，且固接支座對焊接及后埋件的要求遠遠要比鉸接高得多，故帶拉桿的雨篷縱梁一般不宜采用固接支座。

1.1.3.2 ZL002、ZL03縱梁的根部支座定義為固接，該縱梁懸挑6.0m，支座彎矩很大，對主體的混凝土梁將產生很不利的扭轉作用，且對支座的連接及預埋件的要求非常高，簡單地把縱梁焊接在預埋件上是較難達到固接的要求的。

1.1.3.3 拉桿的上端和下端直接與埋件及縱梁焊接，與雨篷縱梁形成剛接或半剛接，該種拉桿不是典型的二力桿，桿件存在彎矩。應在拉桿的上端和下端設置連接耳板和銷軸，形成典型的二力桿，在建模計算時，應把拉桿上端和下端的強軸及弱軸轉動約束進行釋放。

1.1.3.4 在雨篷縱梁前端拉桿處，沒有設置側向支撐會引起雨篷縱梁的側向彎曲和扭轉變形。

帶拉桿的雨篷縱梁為H型鋼梁，屬于帶懸臂端的簡支梁，屬于受彎構件，翼緣板存在受壓情況。按照《鋼結構設計規范》GB50017-2003的4.2.1條～4.2.6條，當固定在梁上的面板不能阻止受壓翼緣板的側向位移時，H型鋼（或等截面工字鋼）簡支梁受壓翼緣板的自由長度l1與翼緣板寬度b1的比值超過表4.2.1的規定，則應按規范驗算受彎簡支梁的整體穩定。鋼梁整體失去穩定性時，梁將發生較大的側向彎曲和扭轉變形，因此為了提高梁的整體承載能力，任何鋼梁在其端部支承處都應采取構造措施，以防止其端部截面的扭轉（表4.2.1截圖）。

其中，對跨中無側向支撐點的簡支梁，l1為其跨度。如本工程雨篷縱梁選用H300x180x10x12的H型鋼，材質為Q235B，在拉桿處設置側向支撐桿件，荷載作用在上翼緣，簡支梁的跨度為4500mm，翼緣板寬度b1為180mm，則其比值為4500/180=25，比表4.2.1的13大，應按4.2.2條公式Mx/φbWx≤f進行整體穩定性驗算，其中φb為梁的整體穩定系數，應按《鋼結構設計規范》GB50017-2003的附錄B確定。對懸挑構件，僅其前端有側向支撐時，其l1可按其跨度取值計算。

1.1.3.5 雨篷拉桿，在深圳等基本風壓較大的地區，并非真的僅是“拉桿”，如果只考慮恒載與活載的組合作用，即N/A≤f，拉桿截面較小，在較大的負風壓作用下，桿件會失穩。為避免失穩，應考慮拉桿在受壓力作用時的穩定系數因素，即N/φA≤f，其中φ為軸心受壓桿件的穩定系數，按《鋼結構設計規范》GB50017-2003的附錄C采用，C為0～1的數值。因受壓桿件的穩定系數φ是由計算出來的長細比λ及桿件截面屬性，按《鋼結構設計規范》GB50017-2003的附錄C采用的?！朵摻Y構設計規范》的第5.3.8條及5.3.8表，如果拉桿按支撐類考慮，雨篷拉桿在軸心受壓作用時，其長細比取λ≤200，則桿件會比較粗。在該規范第5.3.9條的受拉構件的容許長細比取值表5.3.9下的注釋第5條，受拉桿件在永久荷載作用與風荷載組合作用受壓時，其長細比不宜大于250，即λ≤250，雨篷拉桿剛好適用該條解釋。一般情況下，建筑師不希望桿件太粗大，長細比容許值大，其桿件截面會小些，相對美觀些。

經過修改優化后的雨篷鋼架平面布置圖，見圖3。 其中，經過優化、修改的，主要有：

表4.2.1 H型鋼或等截面工字形簡支梁不需計算整體穩定性的最大l1/b1值

圖3 雨篷鋼龍骨布置圖

a所有的雨篷縱梁根部與主體結構預埋件鉸接；

b縱梁前端的小橫梁改成通長的大橫梁，大橫梁由帶拉桿的ZL01縱梁支承，大橫梁作為ZL02、ZL03縱梁的梁端的支承點。ZL02、ZL03縱梁的前端與方鋼管大橫梁鉸接，避免大橫梁的扭轉。

c拉桿的上端和下端設置連接耳板和銷軸，形成典型的二力桿。

d拉桿的長細比按照λ≤250考慮。

e在縱梁的側向設置側向撐桿，確?？v梁的整體穩定。

1.2 雨篷鋼化玻璃的強度設計值問題

按《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113-2015的4.1.9表的短期荷載作用取值有誤，如4mm～12mm鋼化玻璃的強度設計值為84N/mm2，應按4.1.10條及4.1.10表的長期荷載作用下的強度設計值取值，即鋼化玻璃的強度設計值分別為：4mm～12mm為42N/mm2。從字面看，玻璃長期荷載作用下的應力計算，只需取長期荷載即恒載進行計算，這樣的理解是錯誤的，該規范的8.2.6條抄摘內容如下：“雨篷的最大應力設計值應按彈性力學計算，且最大應力不得超過長期荷載作用下的強度設計值”，即在恒載與活載的設計值組合、風荷載與恒載的設計值組合作用下，玻璃的最大應力不得超過長期荷載作用下的玻璃強度設計值。

1.3 懸挑雨篷后埋件普通化學螺栓的計算問題

懸挑雨篷縱梁后埋件采用普通化學螺栓，但沒有按照《混凝土結構后錨固技術規程》JGJ145-2013的第6.2.2條的要求進行校核。一般懸挑較長（如≥1.5m）的雨篷縱梁，在長期荷載即恒載作用下，其根部彎矩較大，按照該規范的第6.2.2條和第6.2.4條的公式計算，普通化學錨栓難以滿足規范要求。該規范第6.2.2條內容抄摘如下：普通化學錨栓承受長期荷載作用，發生混合破壞時，其受拉承載力應符合下列規定：

群 錨 NhRd,l≤ 0.55× NRk,p/γRp（6.2.2-2）

其中，NRk,p為無間距、邊距影響時，單個錨栓的受拉承載力標準值（N），按本規程第6.2.4條計算。第6.2.4條：錨栓混合破壞受拉承載力標準值NRk,p=π×d×hef×τRK

其中τRK為粘結強度標準值（N/ mm2） ,按本規程第6.2.5條取用。第6.2.5條抄摘如下：

τRK應根據錨栓產品的認證報告確定，無認證報告時，在符合相應產品及基材混凝土強度等級不低于C25等規定情況下，可按表6.2.5取用。

第6.2.2條和第6.2.4條的公式中，有一個關鍵參數，即普通化學錨栓粘結強度標準值τRK，如果普通化學錨栓的外側有玻璃、鋁板等裝飾面板，錨栓處于類似室內的環境，則應認為屬于室內環境；如果錨栓外側只有抹灰、墻磚或直接裸露，則應屬于室外環境。

舉例：

懸挑雨篷采用M12x160普通化學螺栓，6個錨栓，錨固深度110mm，沒有間距及邊距因素影響，螺桿公稱直徑為12mm，處于室外環境，雨篷屬于外裝飾構件，即非結構構件。在長期荷載（恒載）作用下：

錨栓混合破壞受拉承載力標準值NRk,p=π×12×110×4×0.4＝6632(N)

群錨栓混合破壞受拉承載力設計值NhRd,l=0.55× NRk,p/γRp=0.55×6632/1.8＝2026（N）

該群錨栓混合破壞受拉承載力設計值數值僅為國內廠家的普通化學錨栓的抗拉力設計值17200N的12%，可見，懸挑雨篷的縱梁采用普通化學錨栓，很難滿足該規程的受力要求。怎么處理？按照該規程，后埋件錨栓可采用特殊倒錐形化學錨栓、擴孔型錨栓等錨栓，則不受《混凝土結構后錨固技術規程》JGJ145-2013的第6.2.2條的約束。

表6.2.5 粘結強度標準值τRK（N/mm2）

2.施工圖設計的預埋件問題

2.1 雨篷預埋件錨筋為HRB335或HRB400，鋼板為Q235B，選用E50系列焊條，是錯誤的，不同強度等紙的母材焊接，其焊條應就低不就高，即應選擇E43系列焊條。

2.2 雨篷預埋件的錨筋長度都按15倍錨筋直徑的長度取值是錯誤的，《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003的附錄C的C.0.5之第3條的抄摘內容“當錨筋的拉應力設計值小于鋼筋抗拉強度設計值fy時，其錨固長度可適當減小，但不應小于15倍錨固鋼筋直徑?！?/p>

該條文的不應小于15D是基本條件，不是充分條件，注意是“不應小于”，鋼筋的抗拉強度利用率分別為30%和95%，其錨筋錨固長度要求明顯是不同的。

2.3 錨筋與鋼板采用手工焊，但沒有標注角焊縫的焊腳高度，應按《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003的附錄C的C.0.4條執行，焊縫高度不宜小于0.6d（HRB335或HRB400級鋼筋），d為鋼筋直徑。

2.4 當預埋件的錨筋計算長度較長時，需要采用機械錨固時，應按《混凝土結構設計規范》GB50010-2010的第8.3.3條及表8.3.3的機械錨固形式設置。錨筋末端采用機械錨固時，其錨固長度（包括彎鉤或錨固端頭在內的錨固長度〈投影長度〉）可按計算長度La的60%。錨筋末端主要的機械錨類型，如圖4所示。

圖4

2.5 當預埋件存在扭矩時，在預埋件計算時，漏考慮扭矩對預埋件的不利影響，預埋件的設計也未考慮抗扭轉因素。在存在扭矩作用的預埋件設計中，建議采用扭剪焊栓、開口型鋼（如十字型鋼、工字鋼等）單獨作為抗扭構造，并應抗扭構造進行扭剪驗算。

3.舊樓改造的輕鋼雨篷后埋件問題

《混凝土結構后錨固技術規程》JGJ145-2013的第3.1.3條：基材混凝土強度等級不應低于C20。對于舊樓改造項目，主體混凝土強度經常低于C20，則不允許采用后錨栓，可改用穿過砼梁的對穿螺栓連接，但對穿做法應征得主體結構設計單位或具有相應資質單位的認可?！痘炷两Y構后錨固技術規程》JGJ145-2013的第6.2.5條：基材混凝土強度等級不應低于C25，否則，不應采用普通化學錨栓錨固。

4.施工圖設計的其他常見問題

4.1 雨篷一般用于建筑的出入口，除了有遮雨作用，還起著防止其上部物體掉落對人體傷害等保護作用。玻璃倒置（即玻璃面板朝下）的點駁接雨篷，一般難以起到保護作用，建議不采用該種類型的雨篷，如果一定要使用，則建議在玻璃上方設置金屬網，或對該類玻璃雨篷按相關規定進行撞擊試驗，確認安全后方可使用。

4.2 對采用有組織排水、面積較大的雨篷，設計單位應與主體建筑設計單位共同核實其上部建筑墻面落下的雨水量及雨篷板面的雨水量，是否在雨篷排水天溝及落水管的容納量許可范圍內。一般應在排水天溝的端頭設置溢水孔。

4.3 對于整體外形較厚且較寬的帶拉桿雨篷，如高度超過1.0m，寬度（進出位）大于3.0m，其兩個及以上的拉桿不應平行（正看）設置。如果平行設置，拉桿上下端為鉸接，在側風壓作用下，雨篷會有一定量的擺動，至少應有兩個拉桿應優化為對稱的小角度傾斜（正看）。

4.4 鋁板雨篷，圖紙中常忽略了鋁板加強筋的截面、間距等信息，計算書也常漏掉了鋁板加強筋的校核。鋁板加強筋宜用鋁板加工圖的形式表達，并應明確鋁板腳碼的間距等信息。

4.5 雨篷整體斜水過小，或玻璃及鋁板板塊過大、板塊較薄、板塊剛度較小，導致雨篷積水積灰。參照《采光頂與金屬屋面技術規程》JGJ255-2012的4.3.6條，雨篷表面的斜水坡度不應小于3%。

4.6 由獨立鋼柱支承的輕鋼雨篷，立柱根部沒有按規范采用保護措施。《鋼結構設計規范》GB50017-2003的8.9.3強制性條文“柱腳在地面以下的部分應采用強度等級較低的混凝土包裹（保護層厚度不應小于50mm），并應使包裹的混凝土高出地面不小于150mm。當柱腳底面在地面以上時，柱腳底面應高出地面不小于100mm”，應按規范要求執行。

5.小結

輕鋼雨篷的設計，牽涉到較多的規范，要考慮建筑、機械、結構、力學計算等諸多方面的因素，其根本的出發點就是安全。本文從輕鋼雨篷施工圖強制性審查及咨詢的角度，提出相關問題，指出適用規范的相關條文，應考慮的相關因素及構造措施，確保輕鋼雨篷的安全。

(作者為：中國建筑裝飾協會幕墻專家深圳市土木協會幕墻專家深圳市幕墻施工圖審查專家）

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1671-3362（2017）03-0050-04