張宇杰 劉 偉

(大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧 大連 116036)

1 工程概況

該項目由若干相同結構形式的鋼結構雨棚組成，每個雨棚由四榀相同的單懸挑鋼剛架構成，剛架之間由垂直于剛架的鋼梁連接，雨棚屋蓋為坡屋面，材料采用鋼化玻璃。每個雨棚的平面尺寸為9.0 m×22.8 m。結構平面布置圖及鋼剛架立面圖如圖1所示。項目設計使用年限為50年，建筑結構安全等級為二級，設計基本風壓為0.30 kN/m2，地面粗糙類別為C類，由于自重較輕，風荷載起控制作用。

2 結構設計難點及措施

本項目結構構造看似簡單，但結構分析中，存在以下難點：

1)本雨棚主體結構為大懸挑結構，正常使用極限狀態(tài)時，梁端撓度受外荷載影響較大，不容易滿足規(guī)范要求。為了減小自重作用下梁端撓度，在設計時要盡量減輕鋼梁自重。雨棚屋面為坡屋面，所以當風向為梁端至梁根時，風荷載對屋蓋施加的是壓力，這時，在風荷載作用下，梁端撓度方向和自重作用下是一致的，撓度會進行疊加；而當風向為梁根至梁端時，風荷載對屋蓋施加的是吸力，這時，風荷載作用下梁端撓度方向和自重作用下是相反的，會部分抵消。所以在風荷載作用下，鋼梁自重可能是有利因素也可能是不利因素。為了解決這一難點，采取如下措施：鋼梁截面選為變截面，以減輕鋼梁自重，同時，在施工時，對鋼梁采取預起拱的施工措施。

2)單榀懸挑剛架存在面外穩(wěn)定的問題。為了解決這一問題，在垂直于鋼剛架的方向增加縱向鋼主梁，即為圖1中GL4，縱向主梁與鋼柱之間剛結。另外每隔一段距離間隔設置鋼次梁，即為圖1中GL3，鋼次梁與鋼梁之間的連接為鉸接。通過縱向桿件的設置，各榀剛架連接為一個整體，保證了單懸挑剛架面外的穩(wěn)定性。

3)懸挑梁受力最不利截面為懸挑根部，此處彎矩和剪力都最大，加上本項目懸挑尺寸較大，懸挑根部截面設計為一難點。為此，采取以下措施：a.在保證根部截面不減小的情況下，盡量減輕鋼梁自重，將鋼梁設計為變截面，梁端截面高度以能滿足次梁連接為限度；b.在懸挑梁的根部加腋，此措施不僅可以加大根部截面高度，還可以在一定程度上減少應力集中。采取加腋構造后，根部結點構造見圖2。

3 結構受力分析

本項目采用有限元軟件SAP2000計算，并使用軟件的設計功能對構件進行詳細設計。在正常使用極限狀態(tài)時，梁端撓度起控制作用，采用表1荷載組合；在承載能力極限狀態(tài)時，柱子的穩(wěn)定性及梁端應力比起控制作用，采用表2荷載組合。表中：D代表恒載，L代表活載，W1代表風向為梁端至梁根，W2代表風向為梁根至梁端。風荷載以面荷載形式施加到屋蓋表面，風荷載計算時，體型系數(shù)根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》[1]表8.3.1第29項采用。

表1 正常使用極限狀態(tài)荷載組合

表2 承載能力極限狀態(tài)荷載組合

3.1 正常使用極限狀態(tài)計算結果

在正常使用極限狀態(tài)下，組合4對應的梁端撓度起控制作用，為了減小這一撓度，按本文第2小節(jié)采取加強措施減小主梁梁端撓度。采取措施后，對應的梁端最大撓度為70 mm，方向垂直向下。根據(jù)《鋼結構設計標準》附錄B中關于受彎構件撓度容許值的規(guī)定：按純懸挑長度計算的主梁梁端撓度限值為85 mm[2]，計算值符合規(guī)范要求。撓度示意圖如圖3所示。

3.2 承載能力極限狀態(tài)

在承載能力極限狀態(tài)下，組合6對應懸臂梁梁根內力起控制作用，按本文第2小節(jié)采取加強措施后，強度和穩(wěn)定性驗算均滿足要求，鋼梁對應的最大應力比為0.578，鋼柱對應最大應力比為0.381，均有較大富余。應力比圖如圖4所示。

4 結論與建議

由以上分析，可得到以下結論：

1)對于此類坡屋面鋼結構雨棚，由于通常采用玻璃頂蓋，且屋面無其他覆蓋，屋面體系自重較輕。當屋面面積較大時，要特別注意風荷載作用下的驗算，風荷載通常起控制作用。

2)在鋼結構體系中，當鋼柱較高且面外連接薄弱時，需要特別關注構件的整體穩(wěn)定。

3)鋼結構設計中，要通過計算和分析找出最薄弱受力截面，此截面同時要關注應力集中問題，除了計算之外，要采取適當?shù)臉嬙齑胧﹣肀ＷC安全。

同時，此類項目設計時還建議特別注意以下兩點：

1)由于鋼構件長度截面都比較大，為了便于運輸，實際施工時會將各構件進行分段，構件分段的切口要避開主要受力部位一定的距離。

2)對于單懸挑結構，在基礎設計時，要特別考慮基礎傾覆是否滿足要求。