謝得亮

輕鋼雨篷設(shè)計(jì)的常見問題及解決方案

謝得亮

近五年來，在深圳地區(qū)幕墻及外裝飾工程的施工圖強(qiáng)制性審查及咨詢過程中，發(fā)現(xiàn)有較多的輕鋼雨篷設(shè)計(jì)不符合規(guī)范要求，出現(xiàn)安全隱患。本文針對輕鋼雨篷施工圖設(shè)計(jì)與規(guī)范要求不相符等常見問題，進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決方案。

輕鋼雨篷；長期荷載；懸挑；扭轉(zhuǎn)

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(hù)結(jié)構(gòu)，其外型美觀、新穎，常被用于民用建筑和工業(yè)建筑中，尤其廣泛應(yīng)用于民用建筑的公共建筑和居住建筑。

與輕鋼雨篷有關(guān)的規(guī)范主要有：《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009-2012、《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003、《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》JGJ145-2013、《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)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(jì)算書常見問題

1.1 計(jì)算軟件、力學(xué)模型及鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造等存在的問題

雨篷鋼龍骨布置實(shí)例是一種典型的雨篷，在多個(gè)項(xiàng)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(shè)置拉桿，縱梁側(cè)向間距2.0m，在縱梁前端，設(shè)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(jié)構(gòu)分析軟件出計(jì)算書。因Ansys等結(jié)構(gòu)分析軟件通常用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系或物體的受力分析，但由于其沒有嵌入中國的結(jié)構(gòu)規(guī)范，即沒有考慮壓桿穩(wěn)定系數(shù)等因素，無法驗(yàn)算結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件是否符合中國結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求。

1.1.2 采用Sap2000等國外結(jié)構(gòu)分析計(jì)算軟件出計(jì)算書，雖該軟件嵌入中國的結(jié)構(gòu)規(guī)范，但計(jì)算書缺按中國規(guī)范對結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全的驗(yàn)算。

1.1.3 采用3D3S、PKPM等國內(nèi)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行分析計(jì)算，但對構(gòu)件的支座及約束定義不當(dāng)，造成雨篷受力體系的不合理、不安全。上述例子中，存在相應(yīng)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(diǎn)。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(huì)增加連接及預(yù)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(dāng)縱梁根部為鉸接時(shí)，且當(dāng)m=1.5m=L/3=4.5m/3時(shí)，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(dāng)縱梁根部為固接時(shí)：

當(dāng)m=1.5m=L/3=4.5m/3時(shí)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(chǎn)生很不利的扭轉(zhuǎn)作用，且對支座的連接及預(yù)埋件的要求非常高，簡單地把縱梁焊接在預(yù)埋件上是較難達(dá)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(yīng)在拉桿的上端和下端設(shè)置連接耳板和銷軸，形成典型的二力桿，在建模計(jì)算時(shí)，應(yīng)把拉桿上端和下端的強(qiáng)軸及弱軸轉(zhuǎn)動(dòng)約束進(jìn)行釋放。

1.1.3.4 在雨篷縱梁前端拉桿處，沒有設(shè)置側(cè)向支撐會(huì)引起雨篷縱梁的側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)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(gòu)件，翼緣板存在受壓情況。按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003的4.2.1條～4.2.6條，當(dāng)固定在梁上的面板不能阻止受壓翼緣板的側(cè)向位移時(shí)，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(guī)定，則應(yīng)按規(guī)范驗(yàn)算受彎簡支梁的整體穩(wěn)定。鋼梁整體失去穩(wěn)定性時(shí)，梁將發(fā)生較大的側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)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(yīng)采取構(gòu)造措施，以防止其端部截面的扭轉(zhuǎn)（表4.2.1截圖）。

其中，對跨中無側(cè)向支撐點(diǎn)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(zhì)為Q235B，在拉桿處設(shè)置側(cè)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(yīng)按4.2.2條公式Mx/φbWx≤f進(jìn)行整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，其中φb為梁的整體穩(wěn)定系數(shù)，應(yīng)按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003的附錄B確定。對懸挑構(gòu)件，僅其前端有側(cè)向支撐時(shí)，其l1可按其跨度取值計(jì)算。

1.1.3.5 雨篷拉桿，在深圳等基本風(fēng)壓較大的地區(qū)，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(fù)風(fēng)壓作用下，桿件會(huì)失穩(wěn)。為避免失穩(wěn)，應(yīng)考慮拉桿在受壓力作用時(shí)的穩(wěn)定系數(shù)因素，即N/φA≤f，其中φ為軸心受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003的附錄C采用，C為0～1的數(shù)值。因受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)φ是由計(jì)算出來的長細(xì)比λ及桿件截面屬性，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003的附錄C采用的?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)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(shí)，其長細(xì)比取λ≤200，則桿件會(huì)比較粗。在該規(guī)范第5.3.9條的受拉構(gòu)件的容許長細(xì)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(fēng)荷載組合作用受壓時(shí)，其長細(xì)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(xì)比容許值大，其桿件截面會(huì)小些，相對美觀些。

經(jīng)過修改優(yōu)化后的雨篷鋼架平面布置圖，見圖3。 其中，經(jīng)過優(yōu)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(jì)算整體穩(wěn)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(jié)構(gòu)預(yù)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(diǎn)。ZL02、ZL03縱梁的前端與方鋼管大橫梁鉸接，避免大橫梁的扭轉(zhuǎn)。

c拉桿的上端和下端設(shè)置連接耳板和銷軸，形成典型的二力桿。

d拉桿的長細(xì)比按照λ≤250考慮。

e在縱梁的側(cè)向設(shè)置側(cè)向撐桿，確?？v梁的整體穩(wěn)定。

1.2 雨篷鋼化玻璃的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值問題

按《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值為84N/mm2，應(yīng)按4.1.10條及4.1.10表的長期荷載作用下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取值，即鋼化玻璃的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值分別為：4mm～12mm為42N/mm2。從字面看，玻璃長期荷載作用下的應(yīng)力計(jì)算，只需取長期荷載即恒載進(jìn)行計(jì)算，這樣的理解是錯(cuò)誤的，該規(guī)范的8.2.6條抄摘內(nèi)容如下：“雨篷的最大應(yīng)力設(shè)計(jì)值應(yīng)按彈性力學(xué)計(jì)算，且最大應(yīng)力不得超過長期荷載作用下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值”，即在恒載與活載的設(shè)計(jì)值組合、風(fēng)荷載與恒載的設(shè)計(jì)值組合作用下，玻璃的最大應(yīng)力不得超過長期荷載作用下的玻璃強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

1.3 懸挑雨篷后埋件普通化學(xué)螺栓的計(jì)算問題

懸挑雨篷縱梁后埋件采用普通化學(xué)螺栓，但沒有按照《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》JGJ145-2013的第6.2.2條的要求進(jìn)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(guī)范的第6.2.2條和第6.2.4條的公式計(jì)算，普通化學(xué)錨栓難以滿足規(guī)范要求。該規(guī)范第6.2.2條內(nèi)容抄摘如下：普通化學(xué)錨栓承受長期荷載作用，發(fā)生混合破壞時(shí)，其受拉承載力應(yīng)符合下列規(guī)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(shí)，單個(gè)錨栓的受拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值（N），按本規(guī)程第6.2.4條計(jì)算。第6.2.4條：錨栓混合破壞受拉承載力標(biāo)準(zhǔn)值NRk,p=π×d×hef×τRK

其中τRK為粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（N/ mm2） ,按本規(guī)程第6.2.5條取用。第6.2.5條抄摘如下：

τRK應(yīng)根據(jù)錨栓產(chǎn)品的認(rèn)證報(bào)告確定，無認(rèn)證報(bào)告時(shí)，在符合相應(yīng)產(chǎn)品及基材混凝土強(qiáng)度等級不低于C25等規(guī)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(gè)關(guān)鍵參數(shù)，即普通化學(xué)錨栓粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值τRK，如果普通化學(xué)錨栓的外側(cè)有玻璃、鋁板等裝飾面板，錨栓處于類似室內(nèi)的環(huán)境，則應(yīng)認(rèn)為屬于室內(nèi)環(huán)境；如果錨栓外側(cè)只有抹灰、墻磚或直接裸露，則應(yīng)屬于室外環(huán)境。

舉例：

懸挑雨篷采用M12x160普通化學(xué)螺栓，6個(gè)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(huán)境，雨篷屬于外裝飾構(gòu)件，即非結(jié)構(gòu)構(gòu)件。在長期荷載（恒載）作用下：

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

群錨栓混合破壞受拉承載力設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)值數(shù)值僅為國內(nèi)廠家的普通化學(xué)錨栓的抗拉力設(shè)計(jì)值17200N的12%，可見，懸挑雨篷的縱梁采用普通化學(xué)錨栓，很難滿足該規(guī)程的受力要求。怎么處理？按照該規(guī)程，后埋件錨栓可采用特殊倒錐形化學(xué)錨栓、擴(kuò)孔型錨栓等錨栓，則不受《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》JGJ145-2013的第6.2.2條的約束。

表6.2.5 粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值τRK（N/mm2）

2.施工圖設(shè)計(jì)的預(yù)埋件問題

2.1 雨篷預(yù)埋件錨筋為HRB335或HRB400，鋼板為Q235B，選用E50系列焊條，是錯(cuò)誤的，不同強(qiáng)度等紙的母材焊接，其焊條應(yīng)就低不就高，即應(yīng)選擇E43系列焊條。

2.2 雨篷預(yù)埋件的錨筋長度都按15倍錨筋直徑的長度取值是錯(cuò)誤的，《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003的附錄C的C.0.5之第3條的抄摘內(nèi)容“當(dāng)錨筋的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值小于鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy時(shí)，其錨固長度可適當(dāng)減小，但不應(yīng)小于15倍錨固鋼筋直徑?！?/p>

該條文的不應(yīng)小于15D是基本條件，不是充分條件，注意是“不應(yīng)小于”，鋼筋的抗拉強(qiáng)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(biāo)注角焊縫的焊腳高度，應(yīng)按《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003的附錄C的C.0.4條執(zhí)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(dāng)預(yù)埋件的錨筋計(jì)算長度較長時(shí)，需要采用機(jī)械錨固時(shí)，應(yīng)按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2010的第8.3.3條及表8.3.3的機(jī)械錨固形式設(shè)置。錨筋末端采用機(jī)械錨固時(shí)，其錨固長度（包括彎鉤或錨固端頭在內(nèi)的錨固長度〈投影長度〉）可按計(jì)算長度La的60%。錨筋末端主要的機(jī)械錨類型，如圖4所示。

圖4

2.5 當(dāng)預(yù)埋件存在扭矩時(shí)，在預(yù)埋件計(jì)算時(shí)，漏考慮扭矩對預(yù)埋件的不利影響，預(yù)埋件的設(shè)計(jì)也未考慮抗扭轉(zhuǎn)因素。在存在扭矩作用的預(yù)埋件設(shè)計(jì)中，建議采用扭剪焊栓、開口型鋼（如十字型鋼、工字鋼等）單獨(dú)作為抗扭構(gòu)造，并應(yīng)抗扭構(gòu)造進(jìn)行扭剪驗(yàn)算。

3.舊樓改造的輕鋼雨篷后埋件問題

《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》JGJ145-2013的第3.1.3條：基材混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C20。對于舊樓改造項(xiàng)目，主體混凝土強(qiáng)度經(jīng)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(yīng)征得主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)單位或具有相應(yīng)資質(zhì)單位的認(rèn)可?！痘炷两Y(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》JGJ145-2013的第6.2.5條：基材混凝土強(qiáng)度等級不應(yīng)低于C25，否則，不應(yīng)采用普通化學(xué)錨栓錨固。

4.施工圖設(shè)計(jì)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(hù)作用。玻璃倒置（即玻璃面板朝下）的點(diǎn)駁接雨篷，一般難以起到保護(hù)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(shè)置金屬網(wǎng)，或?qū)υ擃惒Ａв昱癜聪嚓P(guān)規(guī)定進(jìn)行撞擊試驗(yàn)，確認(rèn)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(shè)計(jì)單位應(yīng)與主體建筑設(shè)計(jì)單位共同核實(shí)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(nèi)。一般應(yīng)在排水天溝的端頭設(shè)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(jìn)出位）大于3.0m，其兩個(gè)及以上的拉桿不應(yīng)平行（正看）設(shè)置。如果平行設(shè)置，拉桿上下端為鉸接，在側(cè)風(fēng)壓作用下，雨篷會(huì)有一定量的擺動(dòng)，至少應(yīng)有兩個(gè)拉桿應(yīng)優(yōu)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(qiáng)筋的截面、間距等信息，計(jì)算書也常漏掉了鋁板加強(qiáng)筋的校核。鋁板加強(qiáng)筋宜用鋁板加工圖的形式表達(dá)，并應(yīng)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(dǎo)致雨篷積水積灰。參照《采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程》JGJ255-2012的4.3.6條，雨篷表面的斜水坡度不應(yīng)小于3%。

4.6 由獨(dú)立鋼柱支承的輕鋼雨篷，立柱根部沒有按規(guī)范采用保護(hù)措施?！朵摻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003的8.9.3強(qiáng)制性條文“柱腳在地面以下的部分應(yīng)采用強(qiáng)度等級較低的混凝土包裹（保護(hù)層厚度不應(yīng)小于50mm），并應(yīng)使包裹的混凝土高出地面不小于150mm。當(dāng)柱腳底面在地面以上時(shí)，柱腳底面應(yīng)高出地面不小于100mm”，應(yīng)按規(guī)范要求執(zhí)行。

5.小結(jié)

輕鋼雨篷的設(shè)計(jì)，牽涉到較多的規(guī)范，要考慮建筑、機(jī)械、結(jié)構(gòu)、力學(xué)計(jì)算等諸多方面的因素，其根本的出發(fā)點(diǎn)就是安全。本文從輕鋼雨篷施工圖強(qiáng)制性審查及咨詢的角度，提出相關(guān)問題，指出適用規(guī)范的相關(guān)條文，應(yīng)考慮的相關(guān)因素及構(gòu)造措施，確保輕鋼雨篷的安全。

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

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