超長懸挑雨蓬設(shè)計(jì)探討

王 健 南京城鎮(zhèn)建筑咨詢有限公司高級工程師

李 國 南京城鎮(zhèn)建筑咨詢有限公司初級工程師

1 引言

目前較為常見的鋼結(jié)構(gòu)雨篷類型為鋼結(jié)構(gòu)玻璃雨篷，主龍骨架以鋼結(jié)構(gòu)為主，頂部為鋼化玻璃或夾膠安全玻璃。由于建筑物的外觀要求和使用需要，雨篷的尺寸不斷增大[1]。鋼結(jié)構(gòu)雨篷具有自重輕、強(qiáng)度高的優(yōu)勢，成品質(zhì)量好控制、維護(hù)裝拆方便、資源可回收、施工周期短，在現(xiàn)代建筑工程中應(yīng)用廣泛[2]。

2 超長懸挑雨篷工程案例

位于南京江北的某商業(yè)項(xiàng)目，地上4層，地下1 層，主體為框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7 度，抗震等級為2 級，主入口設(shè)大型雨篷，雨篷長23.7 m，寬23.5 m，最大懸挑18 m，平面呈扇形，離地高度約23 m。

3 兩種設(shè)計(jì)模型簡介

3.1 后伸雙向密肋懸挑梁模型

方案一為后伸雙向密肋懸挑梁雨篷，主梁GL1 為H1200×400 型鋼，與型鋼柱內(nèi)鋼骨及型鋼梁連接，節(jié)點(diǎn)形式為剛接，雨篷次梁GL2、GL3 為H700×300 型鋼，與屋面層混凝土梁內(nèi)預(yù)埋件連接，節(jié)點(diǎn)形式為鉸接，其余鋼梁連接形式為剛接。所有鋼材強(qiáng)度等級均為Q355。

3.2 帶空間組合斜拉桿模型

方案二為帶空間組合斜拉桿結(jié)構(gòu)，雨篷主梁GL1 為H700×300×13×24 型鋼，與型鋼柱內(nèi)鋼骨及型鋼梁連接，節(jié)點(diǎn)形式為剛接，雨篷次梁GL2 為H450×200×9×14型鋼，與屋面層混凝土梁內(nèi)預(yù)埋件連接，節(jié)點(diǎn)形式為鉸接，其余鋼梁連接形式為剛接。所有鋼材強(qiáng)度等級均為Q355。平面如圖1 所示。立柱GZ1 為直徑500、壁厚25 mm 圓鋼管，圓鋼管高度為4550 mm，在圓鋼柱頂部和1/2 高度處設(shè)置鋼梁GL4 為直徑300、壁厚12 mm 圓鋼管。鋼雨篷與立柱頂端設(shè)拉桿LG1 為直徑300、壁厚12 mm 圓鋼管，另一側(cè)設(shè)置拉桿LG2 為直徑300、壁厚12 mm 圓鋼管，一側(cè)與屋頂混凝土梁相連，另一側(cè)與圓鋼柱頂部相連，在拉桿與雨篷梁連接處設(shè)置交叉斜撐GL3為直徑300、壁厚12 mm 圓鋼管，與相鄰鋼梁連接均為鉸接，如圖1 所示。

圖1 鋼雨蓬斜拉桿布置圖（方案二）

4 計(jì)算分析對比

為研究雨篷受力性能，建立結(jié)構(gòu)模型對雨篷進(jìn)行單獨(dú)分析，四榀主鋼梁與支座連接為剛接，其余鋼梁與混凝土構(gòu)件連接均為鉸接。考慮到雨篷實(shí)際受力情況，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，對該雨篷收到的恒載、活載、風(fēng)荷載以及雪荷載進(jìn)行綜合分析考慮。

經(jīng)計(jì)算，方案一鋼材用量為71.2 噸，鋼梁最大應(yīng)力比0.70，應(yīng)力分布主要集中在四榀主鋼梁支座附近，其余部位鋼梁應(yīng)力分布較小。空間最大位移65.1 mm，位于A ～B 軸之間的次梁頂端，該變形值符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，且具備足夠的安全儲備。

方案二的鋼材用量為52.0 噸，鋼梁最大應(yīng)力比0.41，斜拉桿最大應(yīng)力比0.22，應(yīng)力分布主要集中在四榀主鋼梁支座附近及斜拉桿與鋼雨篷連接點(diǎn)附近，其余部位鋼梁及斜拉桿應(yīng)力分布較為均勻?？臻g最大位移41.2 mm，位于B 軸主鋼梁頂端，該變形值符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，且具備足夠的安全儲備（表1）。

表1 對比分析表

5 方案二優(yōu)化設(shè)計(jì)

影響方案二的因素眾多，如拉桿布置在雨篷一側(cè)與拉桿在立柱前后兩側(cè)布置、拉桿與雨篷相鋼梁連接的位置、拉桿與雨篷連接點(diǎn)附近是否布置斜撐等都會(huì)影響雨篷整體受力性能，具體分析過程如下：

拉桿僅布置在雨篷一側(cè)，其他桿件均與方案二相同。鋼梁最大應(yīng)力比1.73，斜拉桿最大應(yīng)力比0.09，應(yīng)力分布主要集中在四榀主鋼梁支座附近，空間最大位移209.1 mm，位于A ～B 軸之間的次梁頂端，該變形值不符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，圓鋼柱對雨篷的約束較弱，同時(shí)由于雨篷懸挑距離較長，自身變形程度大，通過拉桿也會(huì)使圓鋼柱產(chǎn)生較大變形。

通過荷載簡圖及彎矩圖（圖2），研究拉桿與雨篷連接的最合理位置。

圖2 荷載簡圖及彎矩圖圖

根據(jù)荷載簡圖可知，M1=1/2 qL12、M2=M1=1/8 qL22-1/4 qL12，若桿件應(yīng)力最小，則結(jié)構(gòu)所受彎矩最小（彎矩絕對值），即M1=M2，解得L1/L2=1/ ，L1/L ≈3/10。如圖3 所示，結(jié)合實(shí)際情況，拉桿和雨篷的交點(diǎn)在3/10 附近的鋼梁交點(diǎn)即為最合理布置點(diǎn)。

圖3 支座最優(yōu)位置圖

拉桿與雨篷連接節(jié)點(diǎn)周圍不設(shè)置斜撐，其他桿件均與方案二相同。鋼梁最大應(yīng)力比0.456，斜拉桿最大應(yīng)力比0.208，應(yīng)力分布主要集中在四榀主鋼梁支座附近及斜拉桿與鋼雨篷連接點(diǎn)附近，其余部位鋼梁及斜拉桿應(yīng)力分布較為均勻?？臻g最大位移44.3 mm，位于B 軸主鋼梁頂端，該變形值符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求，與方案二相比，斜拉桿與鋼雨篷連接點(diǎn)附近鋼梁的應(yīng)力均有所增加。

6 結(jié)論

通過兩種方案分析可以看出，方案二應(yīng)力分布更為均勻，鋼梁的應(yīng)力較小，由于空間斜拉桿的作用，有效改善了結(jié)構(gòu)受力形式，保證結(jié)構(gòu)處于屈服強(qiáng)度內(nèi)，且有足夠的安全儲備。

影響空間斜拉桿的因素較多，主要包括：（1）斜拉桿的布置。斜拉桿若僅在鋼雨篷一側(cè)布置，則柱腳在混凝土梁上的連接為非理想剛接，會(huì)導(dǎo)致圓鋼柱對雨篷的約束較小，起不到控制撓度的作用。（2）斜拉桿的布置角度影響著結(jié)構(gòu)的受力合理性。一端懸挑單跨簡支，支座設(shè)置使懸挑梁長度為3/10 梁總長時(shí)最為合理。（3）鋼拉桿選型。拉桿截面較小，拉桿易產(chǎn)生較大軸向變形，對雨篷撓度控制無效果；拉桿截面較大，一方面會(huì)造成浪費(fèi)，另一方面會(huì)影響觀感，所以要確保拉桿具有一定抗拉剛度。（4）拉桿還需要具有一定的抗壓剛度。當(dāng)向上的風(fēng)壓大于結(jié)構(gòu)與裝飾構(gòu)件自重之和時(shí)，此時(shí)鋼拉桿受壓，確保在壓力作用下，鋼拉桿沒有變形的可能，同時(shí)也要保證鋼雨篷在負(fù)風(fēng)壓作用下無較大變形，確保雨篷上的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不被破壞。（5）在鋼拉桿與雨篷連接節(jié)點(diǎn)周圍設(shè)置斜撐。由于鋼拉桿豎直投影線與鋼梁未在同一直線上，增加此斜撐能將拉桿的力更均勻的傳遞到周圍的鋼梁，除此之外，斜撐也能增加鋼雨篷平面的剛度。（6）斜拉桿的布置。將鋼雨篷兩端背面的兩根斜拉桿呈一定角度布置，能夠有效抵抗因地震作用產(chǎn)生的水平力，保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的穩(wěn)定性。