胡世飛，雷學(xué)玲，代躍強(qiáng)，羅津津，李倩倩

(中建六局建設(shè)發(fā)展有限公司 天津300451)

0 引 言

現(xiàn)代大型城市綜合體建筑物中，鋼結(jié)構(gòu)雨篷往往成為建筑物出入口部位必不可少的構(gòu)件。隨著我國(guó)鋼材產(chǎn)量的逐漸增加以及鋼材結(jié)構(gòu)性能的不斷提升，設(shè)計(jì)師對(duì)于現(xiàn)代建筑美感的要求也逐漸得到滿足。作為一種自重小、抗震性、抗傾覆能力比較強(qiáng)的建筑物構(gòu)件，鋼結(jié)構(gòu)雨篷能夠適應(yīng)各種設(shè)計(jì)需求[1]。在實(shí)際工程中對(duì)于跨度較大以及懸挑長(zhǎng)度較長(zhǎng)的雨篷結(jié)構(gòu)，通常情況下會(huì)采用懸臂鋼梁與斜拉桿結(jié)合的方式，該設(shè)計(jì)方案可以有效減少受力鋼梁的截面積，確保結(jié)構(gòu)安全[2]。但是，由于跨度較大加上現(xiàn)階段設(shè)計(jì)、施工的局限，對(duì)于大跨度異形鋼結(jié)構(gòu)雨篷的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性無(wú)法完全把控，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)安裝完成之后結(jié)構(gòu)變形較大最終導(dǎo)致后續(xù)施工無(wú)法進(jìn)行，結(jié)構(gòu)安全性難以得到有效保證[3]。

本文通過(guò)分析某城市綜合體項(xiàng)目大跨度異形鋼雨篷的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及節(jié)點(diǎn)受力情況，獲得該設(shè)計(jì)方案的最佳結(jié)構(gòu)形式，為今后相關(guān)工程的設(shè)計(jì)施工提供借鑒。

1 工程概況

該城市綜合體項(xiàng)目位于江蘇省，總建筑面積約52萬(wàn)m2，地上由7棟塔樓、1棟4層商業(yè)裙房組成，地下為2層車庫(kù)。工程抗震設(shè)防烈度為7度，整體抗震等級(jí)為二級(jí)，局部抗震等級(jí)為一級(jí)，主樓為框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系，裙房為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，局部為鋼結(jié)構(gòu)。其中商業(yè)裙房部位 1～4層層高分別為：5.4、4.8、4.8、4.85m。裙房中庭部位為采光鋼結(jié)構(gòu)屋頂，鋼結(jié)構(gòu)最大跨度36m。

2 大跨度懸挑鋼雨篷

該項(xiàng)目商業(yè)裙房設(shè)有多個(gè)門廳，其中最大的出口部位設(shè)置了一個(gè)帶有斜拉桿的懸挑鋼雨篷。為了滿足建筑美觀要求，與鋼雨篷主鋼梁相連接的鋼筋混凝土柱向西南方向傾斜，雨篷懸挑梁方向與該門廳混凝土結(jié)構(gòu)傾斜方向一致(圖1)。鋼雨篷主梁(GL1)為H900×300×16×25型鋼，經(jīng)預(yù)埋件與斜柱相連，總跨度 17.4m；雨篷懸挑鋼梁(GL2、GL3)為 H900×(300～200)×14×20型鋼，鋼梁長(zhǎng)度為 7.2m，與建筑立面成 63.43°夾角，固定端與主梁鉚接，上部由斜拉桿(φ7.3×8.0無(wú)縫鋼管)與主體 3層結(jié)構(gòu)梁內(nèi)預(yù)埋件連接。所有鋼材強(qiáng)度等級(jí)均為Q345。

圖1 鋼雨篷結(jié)構(gòu)平面圖Fig.1 Steel awning structure plan

鋼結(jié)構(gòu)雨篷主梁通過(guò)預(yù)埋件與混凝土斜柱連接，該斜柱從一層開始向東南方向傾斜，一直到頂層，為直徑600mm的圓柱，其一、二層混凝土強(qiáng)度為C45，三、四層混凝土強(qiáng)度為 C35，縱筋 20C25，箍筋為C10@100。兩根混凝土斜柱之間的二層結(jié)構(gòu)梁尺寸為 500mm×1200mm，梁頂鋼筋為 4C25，梁底鋼筋為 5C25，箍筋為 C10@100/200(4)，混凝土強(qiáng)度為C35；與鋼結(jié)構(gòu)雨篷斜拉桿相連接的三層結(jié)構(gòu)梁尺寸為 500mm×1200mm，梁頂鋼筋為 4C25，梁底鋼筋為 8C25，箍筋為 C10@100/200(4)，混凝土強(qiáng)度為C35，內(nèi)設(shè)與鋼雨篷斜拉桿相連接的預(yù)埋件(圖2)。

2.1 鋼雨篷主梁與混凝土斜柱連接

鋼雨篷主梁腹板通過(guò)斜柱的預(yù)埋件與混凝土柱連接。鋼雨篷主梁跨度 17.4m，安裝時(shí)首先將連接鋼板與斜柱內(nèi)埋設(shè)的預(yù)埋件焊接，之后利用螺栓將連接板與鋼雨篷主梁腹板進(jìn)行連接，并將主梁翼緣與柱內(nèi)預(yù)埋件板焊接補(bǔ)強(qiáng)，以減小主鋼梁的結(jié)構(gòu)變形。詳見圖3、圖4。

2.2 鋼雨篷主梁與次梁間連接設(shè)計(jì)

鋼雨篷次梁(GL2、GL3)與主梁(GL1)肋板采用螺栓錨固連接，主梁肋板間距為 2.25m，與主梁腹板夾角為63.43°。次梁之間設(shè)置橫向鋼梁以確保整體穩(wěn)定性，具體見圖1，其中 GL5為 H250×125×10×14的 H型鋼，GL4為 H300×150×6.5×9的窄翼型 H型鋼。型鋼之間均采用螺栓連接。

圖2 鋼雨篷結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2 Steel awning structure section

圖3 柱內(nèi)埋件詳圖Fig.3 Detail of embedded parts in column

圖4 連接鋼板及節(jié)點(diǎn)詳圖Fig.4 Connecting steel plate and joint details

3 有限元分析

本節(jié)利用 ABAQUS有限元軟件，對(duì)鋼雨篷進(jìn)行局部構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)和整體建模，通過(guò)對(duì)鋼雨篷的主梁、次梁以及相關(guān)節(jié)點(diǎn)的有限元分析，探討該鋼雨篷的變形及穩(wěn)定性。同時(shí)結(jié)合鋼雨篷的變形及力學(xué)性能探求該設(shè)計(jì)方案下最佳的構(gòu)件形式，為將來(lái)類似設(shè)計(jì)、施工提供參考。

3.1 鋼雨篷次梁變形分析

為了研究鋼雨篷次梁的受力性能，建立有限元模型如圖5所示。在軟件中選取該雨篷中的 GL2進(jìn)行分析研究，為了分析簡(jiǎn)便，軟件中斜拉桿采用線單元模型，且單純研究次梁的承載能力，不考慮GL1變形的影響，GL2與 GL1連接部位采用固定邊界?？紤]鋼雨篷實(shí)際受力情況，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)該鋼雨篷所受到的風(fēng)荷載、恒活荷載進(jìn)行綜合考慮，計(jì)算可得雨篷的設(shè)計(jì)荷載為3.2kN/m2。

圖5 GL2有限元模型Fig.5 Finite element model of GL2

通過(guò)有限元分析，GL2的Mises應(yīng)力分布如圖6所示，GL2的變形云圖如圖7所示。該鋼梁的最大變形值為 1.812mm，位于鋼梁頂端，該變形值符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

圖6 GL2受力云圖Fig.6 Stress cloud diagram of GL2

圖7 GL2變形云圖Fig.7 Deformation cloud diagram of GL2

以上分析表明：在不考慮 GL1影響的情況下該鋼雨篷次梁完全能夠承擔(dān)所受荷載，其結(jié)構(gòu)變形符合規(guī)范要求，且有足夠的安全儲(chǔ)備。

3.2 主梁擬采用普通型鋼(GL1)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

設(shè)計(jì)初期，方案中擬采用 H900×300×16×25的型鋼作為整個(gè)大跨度懸挑鋼雨篷的主梁，該主梁上未加其他附屬肋板，主梁GL1為雨篷主要受力構(gòu)件，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，雨篷主梁 GL1的結(jié)構(gòu)變形將直接影響整個(gè)鋼雨篷的穩(wěn)定性。為了獲得 GL1的最佳結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)探討 GL1對(duì)鋼雨篷整體穩(wěn)定性的重要影響，通過(guò)對(duì)鋼雨篷整體模型的受力仿真模擬得到受力云圖及變形云圖。

由圖8、圖9可以看出，該鋼雨篷主梁GL1的縱向變形值為-4.5mm，變形值符合設(shè)計(jì)要求，GL1對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的縱向力承載能力較強(qiáng)。該設(shè)計(jì)結(jié)果需要進(jìn)一步的深化，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)形式，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)主梁GL1的剛度，以減小鋼梁撓度確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)需要進(jìn)一步改變鋼雨篷整體結(jié)構(gòu)形式以保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

圖8 初步設(shè)計(jì)方案GL1縱向變形Fig.8 Longitudinal deformation of GL1 in preliminary design scheme

圖9 初步設(shè)計(jì)方案GL1整體變形Fig.9 Overall deformation of GL1 in preliminary design scheme

3.3 不同鋼雨篷主梁對(duì)結(jié)構(gòu)變形影響分析

圖10 原設(shè)計(jì)方案主梁模型(GL1)Fig.10 Main beam model in original design(GL1)

圖11 GL1-1模型Fig.11 Model of GL1-1

圖12 GL1-2模型Fig.12 Model of GL1-2

圖13 GL1-3模型Fig.13 Model of GL1-3

圖14 GL1-4模型Fig.14 Model of GL1-4

驗(yàn)證次梁 GL2的承載能力符合要求之后，在設(shè)計(jì)階段提出了不同的主梁結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)對(duì)比不同結(jié)構(gòu)形式主梁的數(shù)值模擬結(jié)果，探討主梁結(jié)構(gòu)形式對(duì)該鋼雨篷結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性的影響。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化后的主梁分別編號(hào)為 GL1-1、GL1-2、GL1-3、GL1-4。數(shù)值模擬軟件中的三維建模模型如圖10—圖14所示。

通過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)的主梁進(jìn)行數(shù)值模擬得到云圖，從圖15—圖19鋼雨篷的應(yīng)力云圖所得到的結(jié)果可以看出，主梁結(jié)構(gòu)形式不同鋼雨篷的受力也不同。從GL1至 GL1-4鋼雨篷的內(nèi)部最大應(yīng)力值逐漸減小，由 542.2MPa減為 110.2MPa，最終結(jié)果小于 Q345鋼材的屈服強(qiáng)度并且持有一定的安全系數(shù)，可以滿足規(guī)范要求以及結(jié)構(gòu)正常使用要求。

圖15 主梁為GL1鋼雨篷應(yīng)力云圖Fig.15 Stress cloud diagram of steel awning with main beam of GL1

圖16 主梁為GL1-1鋼雨篷應(yīng)力云圖Fig.16 Stress cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-1

圖17 主梁為GL1-2鋼雨篷應(yīng)力云圖Fig.17 Stress cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-2

圖18 主梁為GL1-3鋼雨篷應(yīng)力云圖Fig.18 Stress cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-3

圖19 主梁為GL1-4鋼雨篷應(yīng)力云圖Fig.19 Stress cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-4

由圖15—圖19可以得出GL1至GL1-4結(jié)構(gòu)形式下鋼雨篷的最大應(yīng)力曲線如圖20所示。

圖20 不同主梁結(jié)構(gòu)形式下雨篷最大Mises應(yīng)力曲線Fig.20 Maximum Mises stress curve of awning with different main beam structures

通過(guò)最大應(yīng)力曲線可以看出，隨著結(jié)構(gòu)形式的不斷優(yōu)化，鋼雨篷結(jié)構(gòu)內(nèi)力值不斷減小，雨篷自身結(jié)構(gòu)受力形式趨于合理。應(yīng)力曲線也表明，在主梁上增加水平方向的通長(zhǎng)肋板可以有效改善結(jié)構(gòu)整體的受力形式，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)力，保證鋼雨篷結(jié)構(gòu)構(gòu)件處于材料屈服強(qiáng)度以內(nèi)，保持自身穩(wěn)定性。

同時(shí)，隨著主梁結(jié)構(gòu)形式的改變，鋼雨篷整體位移變形值也逐漸減小，GL1由于抗扭性能較差，且結(jié)構(gòu)撓度較大，導(dǎo)致次梁GL2的兩端撓度增加，最大變形值為 39.93mm，無(wú)法滿足正常使用要求。隨著GL1-1到 GL1-4結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，逐漸增加了主梁的剛度，減小了主梁撓度值，最終以 GL1-4為主梁的鋼雨篷其次梁 GL2的最大變形值為 10.96mm，位于懸挑梁頂端，該數(shù)值既滿足規(guī)范要求，也滿足后期施工要求。

由圖21—圖25可以得出GL1至GL1-4結(jié)構(gòu)形式下鋼雨篷的最大應(yīng)力曲線如圖26所示。

圖21 主梁為GL1鋼雨篷變形云圖Fig.21 Deformation cloud diagram of steel awning with main beam of GL1

圖22 主梁為GL1-1鋼雨篷變形云圖Fig.22 Deformation cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-1

圖23 主梁為GL1-2鋼雨篷變形云圖Fig.23 Deformation cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-2

圖24 主梁為GL1-3鋼雨篷變形云圖Fig.24 Deformation cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-3

圖25 主梁為GL1-4鋼雨篷變形云圖Fig.25 Deformation cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-4

圖26 不同主梁結(jié)構(gòu)形式雨篷最大變形曲線Fig.26 Maximum deformation curve of awning with different main beam structures

圖26的曲線表明，優(yōu)化主梁結(jié)構(gòu)形式：在主梁背后增加通長(zhǎng)的肋板(GL1-1)，有助于減小鋼雨篷的最大變形值；進(jìn)一步增加主梁背后肋板的數(shù)量(GL1-2)，鋼雨篷的最大變形值明顯下降；通過(guò)調(diào)整主梁背后肋板的位置(GL1-3)，同樣有助于主梁抵抗水平向的變形，從而降低雨篷結(jié)構(gòu)的最大變形；當(dāng)在主梁結(jié)構(gòu)增加通長(zhǎng)肋板的基礎(chǔ)上增加通長(zhǎng)的背板后(GL1-4)，雨篷結(jié)構(gòu)的最大變形值出現(xiàn)陡降，并最終符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。由此可見，對(duì)于大跨度懸挑鋼雨篷，其結(jié)構(gòu)變形主要受主梁結(jié)構(gòu)剛度的影響，改變主梁結(jié)構(gòu)形式，增大主梁的剛度有助于減小結(jié)構(gòu)位移變形。雨篷主梁結(jié)構(gòu)后加通長(zhǎng)肋板并在肋板上增加通長(zhǎng)背板的結(jié)構(gòu)形式受力合理，雨篷結(jié)構(gòu)整體安全可靠。

綜上所述，優(yōu)化后的 GL1-4結(jié)構(gòu)形式最為理想，該結(jié)構(gòu)形式可以滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

①通過(guò)利用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)大跨度異型懸挑鋼結(jié)構(gòu)雨篷進(jìn)行數(shù)值模擬，可以準(zhǔn)確模擬鋼雨篷在復(fù)雜力學(xué)體系下的受力變形情況。通過(guò)對(duì)應(yīng)力云圖及變形云圖的分析可以快速獲取初步設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)可靠性，為后續(xù)的設(shè)計(jì)及施工提供有效參考。

②大跨度懸挑鋼雨篷主梁的結(jié)構(gòu)形式對(duì)其整體的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用。單純使用普通 H型鋼無(wú)法保證大跨度鋼雨篷結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

③通過(guò)在大跨度懸挑鋼雨篷主梁背后增加水平向通長(zhǎng)肋板可以有效增加主梁剛度，減小結(jié)構(gòu)整體變形，同時(shí)改變主梁肋板的安放位置，對(duì)結(jié)構(gòu)主梁的變形也有一定的影響，合理的水平通長(zhǎng)肋板位置能夠有效降低主梁水平方向的變形。

④采用通長(zhǎng)的水平背向肋板加通長(zhǎng)背板的形式可以有效提高雨篷主梁的剛度，從而顯著提高雨篷的整體穩(wěn)定性，此結(jié)構(gòu)形式受力合理，安全可靠。