臺風多發地區大懸挑雨篷結構設計方案比選

沈意

（浙江建設職業技術學院，浙江 杭州 311231）

因建筑的功能要求，在主樓標高4.700 處設置雨篷，北側雨篷懸挑長度為2.600m，東側懸挑2.100m，東北角大雨篷最大跨度約13.1m，如圖1 所示。北側和東側雨篷較長，因此通過抗震縫與角部大雨篷脫開。

圖1 大懸挑雨篷建筑平面圖

項目位于浙江舟山，風荷載較大。懸挑大雨篷采用鋼結構，充分發揮其自重小、抗震性能較強、承載力較高等優點。但鋼雨篷懸挑大，主樓可供支承的框架柱少，對于承受地震作用和風荷載均較大的大懸挑鋼雨篷，選擇怎么樣的結構布置方式，既安全又經濟，是結構工程師面臨的難題[1-2]。結合工程實際，對比分析比較常用的四種結構方案，為其他類似項目提供參考。

1 結構布置方案

大雨篷相鄰主樓采用現澆鋼筋混凝土框架結構，能夠提供支承作用的僅四根柱子和邊梁。大雨篷上蓋玻璃，因此大雨篷采用鋼結構。在不增加立柱的前提下，針對懸挑較大的結構設計難題，分別采用下方設置斜撐或者上方采用拉桿的兩種結構方案；后來在這兩者初步設計的基礎上，在不影響大廳門口的交通的情況下，從地下室頂板樓面梁上抬兩根立柱，成為第三種結構布置方案。

1.1 斜撐結構方案

從立柱根部設置兩根斜撐，如圖2 所示，斜撐中心線長度約為5.83m，從支撐上端點起算，最大懸挑跨度仍有7.0m。

圖2 方案一斜撐方案結構布置

1.2 拉桿結構方案

欄桿模型則是在常規懸挑梁布置方式上，通過拉桿減少鋼結構承擔的荷載。鋼拉桿采用實芯圓棒，長度約為10.4m，從拉桿下端點可以看到，懸挑最大距離4.06m，見圖3。

圖3 方案二斜拉桿方案結構布置

圖4 方案三新增立柱方案結構布置

1.3 增柱結構方案

1.4 樹杈結構方案

為了更進一步減小懸挑跨度，在立柱頂部設立樹杈柱，如圖5。

圖5 方案四新增樹杈方案結構布置

2 桿件截面與荷載取值

針對上述四個不同結構布置方案分別進行建模分析，鋼材等級選為Q355B，鋼梁截面規格以H450×200×9×14 和H250×125×6×9 為主，柱腳剛接。方案一斜撐兩端鉸接，斜撐、與之相鄰的桿件截面增大到H550×300×11×18。方案二拉桿采用SR150實腹鋼棒，兩端鉸接，與拉桿相鄰的桿件截面同樣采用H550×300×11×18。方案三新增立柱采用P450×9 的圓鋼管，方案四樹杈桿截面均為P245×9 的圓鋼管。

結構自重程序自動計算，并放大1.1 倍以考慮構件節點加強等措施。針對雨篷上覆玻璃及固定用玻璃爪的重量，附加恒載取為0.4kN/m2。 雨 篷 活 荷 載 取0.5kN/m2，雪荷載基本雪壓也是0.5kN/m2，二者不重復計算?；撅L壓取值0.85kN/m2（50 年一遇），風吸力體型系數取為1.4，風振系數取為1.5[1]。鋼結構玻璃雨棚，重量較輕，分析時不考慮地震作用。

3 計算結果比較

主要比較不同結構方案對應的豎向變形、風吸力下向上的豎向變形，以及各種組合工況下桿件最大穩定應力比。風荷載主要考慮上吸不利工況，工況組合時風荷載負號代表雨篷作用同樣大小的風壓力，對于接近平面的雨篷，風壓力為零，因此在荷載組合時去掉風荷載負號的情況。

3.1 豎向變形

在“1.0 恒+1.0 活”標準組合下，四種方案所對應的豎向變形結果見圖6，最大豎向變形較為接近，在55.7～71.0mm 之間。不同的是，方案一和方案二最大變形主要出現在雨篷中間懸挑最大的端部，而方案三和方案四，新增立柱減少了雨篷的懸挑長度，最大變形出現在兩側。風吸力下雨篷的變形分布類似圖5，方向相反，結果如表1 所示，新增立柱可有效地將向上變形減小約一半。

表1 風吸力下的向上豎向變形/mm

圖6 恒活標準組合下不同方案對應的豎向變形（mm）

3.2 桿件受力特性

圖7“1.3 恒+1.5 活”下方案一和方案二的軸力

恒活基本組合下，方案一對應桿件軸力如圖7 所示，可以看出，斜撐受到軸壓力660.7kN，頂部雨篷相連桿件受拉，軸拉力為312.2kN。方案二拉桿對應的軸拉力為449.7kN，如圖6（b）所示；而上吸風對應拉桿的軸壓力為294.1kN。

各種工況下構件的應力比結果如圖8 所示，最大應力控制在0.6～0.8 之間，方案四的最大應力比最小。

圖8 不同方案對應的最大穩定應力比

3.3 經濟性比較

統計雨篷鋼用量，四個方案對比情況如表2。結合圖7 的應力比看，在應力比最小的情況下（相當于安全儲備最大），方案四的用鋼量反而最小，說明了通過樹杈柱有效減小了鋼雨篷的懸挑長度，受力合理，因此實際設計中采用了此方案。

表2 用鋼量比較/ton

4 結論

通過設置鋼斜撐、鋼拉桿、增設立柱和增設樹杈柱的四個結構方案比選，發現增設樹杈柱的結構方案，減小鋼雨篷懸挑跨度最有效，在應力比最小的前提下，用鋼量反而最省，體現了安全經濟的設計原則，成為最終選擇的結構布置方案。