淺析大懸挑雨篷鋼結構及其連接設計要點

孫曉靜

北京中信渤海鋁幕墻裝飾工程有限公司 北京 100125

1 雨篷計算模型介紹

該雨篷寬約6m，外挑約14.4m，面板為點支撐玻璃（HS12+1.9PVB+ HS12），雨篷主受力結構由直徑323.9mm和355.6mm的鋼管及直徑為22mm的不銹鋼拉索組成，鋼管間坡口焊接，拉索與鋼管之間通過銷軸連接，拉索、鋼結構通過錨栓與主體結構連接。雨篷平面如圖1所示。

圖1 雨篷結構平面圖

雨篷懸挑鋼結構與主體的連接視為鉸接，鋼管間視為剛接，拉索與鋼管間視為鉸接。支撐雨篷懸挑結構的水平鋼管與主體結構的連接亦視為鉸接，并釋放水平方向剪力。SAP2000中的結構計算模型如圖2所示，藍色為直徑323.9mm鋼管，橘色為直徑355.6mm鋼管，綠色為直徑22mm不銹鋼拉索。

圖2 雨篷在SAP2000中的計算模型

2 雨篷主受力結構分析[1][5]

根據該工程對結構性能的要求，荷載取值如下：重力荷載[6]0.65kPa，水平方向地震荷載[4]0.26 kPa，豎直向下正向風荷載[7]1.06 kPa，豎直向上負向風荷載[7]1.26 kPa；豎直向下均布活荷載[6]0.58 kPa。由于面板是點支撐玻璃，各駁接爪件平均分擔相應分格尺寸玻璃面板的面荷載，并以集中荷載的形式傳遞至鋼龍骨上。同時考慮1.1kN的維修荷載[2]，作用于鋼結構最不利位置。以上荷載均為標準值。拉索預應力值為其破斷力的7.5%，在SAP2000中通過施加0.8‰的應變來實現。

雨篷是懸挑結構，最大變形出現在懸挑結構端部[3]。由于懸挑結構除了根部連接外，還搭落在一根水平鋼管上面，因此其變形值取為水平管支撐位置到端部的相對撓度。以1.0自重荷載下的撓度取值為例（圖3），端部豎向變形為7.6mm，水平管支撐處豎向變形為1.5mm，懸挑結構的最大變形為7.45mm-1.53mm=5.92mm。不同荷載組合下撓度變形值如表1所示。由計算結果可見，最不利荷載組合為1.0D+1.0Wp（正風壓），最大變形值為22.3mm。 本工程要求撓度限值為懸挑長度的1/240，該雨篷撓度限值為8117mm/240=33.8mm，最大變形值小于撓度限值，滿足功能性要求。

圖3 1.0自重荷載下的豎向變形值

表1 不同荷載工況下的結構最大變形值

1.0自重+1.0活荷載14.2 1.0自重+1.0維修荷載4.9 1.0自重+1.0側向地震荷載7.3

不同荷載工況下鋼管的最大應力值如表2所示，各工況下鋼結構的最大應力值為146.73MPa，小于12.7mm厚鋼材的抗拉壓彎強度設計值215MPa[1]，該鋼結構滿足強度設計要求。

表2 不同荷載工況下的結構最大應力值

從撓度變形和強度校核的結果來看，該雨篷鋼結構受撓度控制。因此在設計過程中，滿足外觀要求的情況下，一方面應盡可能增大截面尺寸，減小截面厚度，提高截面慣性矩，另一方面增大雨篷生根點的剛度，以此來實現鋼結構整體小變形的目的。

3 雨篷連接節點分析

受幕墻完成面的限制，支撐雨篷懸挑結構的水平鋼管（直徑355.6mm圓形鋼管）是通過一個長度約1m的特制鋼連接件與混凝土柱連接。該連接件是從混凝土柱表面挑出約1m長的截面尺寸為250x16mm的方鋼管，并在其根部每個面靠近翼緣位置各設置兩道加勁肋，以提高支撐剛度，降低根部的扭轉。連接件根部采用8根加長化學錨栓連接至混凝土結構。方鋼管前端設有25mm厚的連接耳板，耳板前端設有直徑為88mm的圓孔，耳板通過一個直徑50mm的不銹鋼銷軸與水平鋼方管連接。銷軸四周預留的較大間隙可用于適應鋼結構受溫度影響產生的伸縮量以及安裝時的工程偏差，因此銷軸軸向受拉，不受剪力作用。此連接件在加工廠完成加工，可保證加工精度及焊接質量。

由SAP2000的計算結果中讀取最不利荷載組合下的反力結果，通過Workbench來校核連接節點的變形及強度。連接節點的workbench計算模型，如圖4所示，圖中A表示作用于耳板上的反力（Force），由SAP2000計算得出，數值為39.67kN，方向豎直向下；B表示錨栓的約束形式（Displacement），按照鉸接處理。

圖4 連接節點計算模型

連接節點最大變形為0.076mm，位于耳板端部，遠小于連接件變形需小于1mm的要求。方鋼管根部的加勁肋對控制連接件的變形起到了關鍵性的作用。

連接節點的最大應力值為159.45MPa，出現在耳板加勁肋連接處。16～40mm厚的Q235鋼板的抗拉壓彎強度設計值為205MPa[1]，最大應力值小于該限值，滿足承載力極限狀態的要求。從workbench計算模型中，亦可讀取錨栓群的反力，用于進一步校核連接錨栓。

4 總結

該雨篷懸挑跨度較大，拉索間歇性參與工作，設計簡潔經濟，焊接質量容易保障，安全性高。在連接節點的處理上，在保證連接節點的剛度的同時，又能做到“收放自如”，很好的適應結構的變形。

有限元軟件的迅速發展，為復雜的結構分析帶來了契機。有限元模型可基本還原實際受力模型，避免了手工計算時模型簡化導致的計算誤差，使設計更加安全、經濟、合理。