王 健 南京城鎮(zhèn)建筑咨詢有限公司高級工程師

李 國 南京城鎮(zhèn)建筑咨詢有限公司初級工程師

1 引言

目前較為常見的鋼結(jié)構(gòu)雨篷類型為鋼結(jié)構(gòu)玻璃雨篷，主龍骨架以鋼結(jié)構(gòu)為主，頂部為鋼化玻璃或夾膠安全玻璃。由于建筑物的外觀要求和使用需要，雨篷的尺寸不斷增大[1]。鋼結(jié)構(gòu)雨篷具有自重輕、強度高的優(yōu)勢，成品質(zhì)量好控制、維護(hù)裝拆方便、資源可回收、施工周期短，在現(xiàn)代建筑工程中應(yīng)用廣泛[2]。

2 超長懸挑雨篷工程案例

位于南京江北的某商業(yè)項目，地上4層，地下1 層，主體為框架結(jié)構(gòu)，抗震設(shè)防烈度為7 度，抗震等級為2 級，主入口設(shè)大型雨篷，雨篷長23.7 m，寬23.5 m，最大懸挑18 m，平面呈扇形，離地高度約23 m。

3 兩種設(shè)計模型簡介

3.1 后伸雙向密肋懸挑梁模型

方案一為后伸雙向密肋懸挑梁雨篷，主梁GL1 為H1200×400 型鋼，與型鋼柱內(nèi)鋼骨及型鋼梁連接，節(jié)點形式為剛接，雨篷次梁GL2、GL3 為H700×300 型鋼，與屋面層混凝土梁內(nèi)預(yù)埋件連接，節(jié)點形式為鉸接，其余鋼梁連接形式為剛接。所有鋼材強度等級均為Q355。

3.2 帶空間組合斜拉桿模型

方案二為帶空間組合斜拉桿結(jié)構(gòu)，雨篷主梁GL1 為H700×300×13×24 型鋼，與型鋼柱內(nèi)鋼骨及型鋼梁連接，節(jié)點形式為剛接，雨篷次梁GL2 為H450×200×9×14型鋼，與屋面層混凝土梁內(nèi)預(yù)埋件連接，節(jié)點形式為鉸接，其余鋼梁連接形式為剛接。所有鋼材強度等級均為Q355。平面如圖1 所示。立柱GZ1 為直徑500、壁厚25 mm 圓鋼管，圓鋼管高度為4550 mm，在圓鋼柱頂部和1/2 高度處設(shè)置鋼梁GL4 為直徑300、壁厚12 mm 圓鋼管。鋼雨篷與立柱頂端設(shè)拉桿LG1 為直徑300、壁厚12 mm 圓鋼管，另一側(cè)設(shè)置拉桿LG2 為直徑300、壁厚12 mm 圓鋼管，一側(cè)與屋頂混凝土梁相連，另一側(cè)與圓鋼柱頂部相連，在拉桿與雨篷梁連接處設(shè)置交叉斜撐GL3為直徑300、壁厚12 mm 圓鋼管，與相鄰鋼梁連接均為鉸接，如圖1 所示。

圖1 鋼雨蓬斜拉桿布置圖（方案二）

4 計算分析對比

為研究雨篷受力性能，建立結(jié)構(gòu)模型對雨篷進(jìn)行單獨分析，四榀主鋼梁與支座連接為剛接，其余鋼梁與混凝土構(gòu)件連接均為鉸接?？紤]到雨篷實際受力情況，根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范，對該雨篷收到的恒載、活載、風(fēng)荷載以及雪荷載進(jìn)行綜合分析考慮。

經(jīng)計算，方案一鋼材用量為71.2 噸，鋼梁最大應(yīng)力比0.70，應(yīng)力分布主要集中在四榀主鋼梁支座附近，其余部位鋼梁應(yīng)力分布較小?？臻g最大位移65.1 mm，位于A ～B 軸之間的次梁頂端，該變形值符合設(shè)計規(guī)范要求，且具備足夠的安全儲備。

方案二的鋼材用量為52.0 噸，鋼梁最大應(yīng)力比0.41，斜拉桿最大應(yīng)力比0.22，應(yīng)力分布主要集中在四榀主鋼梁支座附近及斜拉桿與鋼雨篷連接點附近，其余部位鋼梁及斜拉桿應(yīng)力分布較為均勻?？臻g最大位移41.2 mm，位于B 軸主鋼梁頂端，該變形值符合設(shè)計規(guī)范要求，且具備足夠的安全儲備（表1）。

表1 對比分析表

5 方案二優(yōu)化設(shè)計

影響方案二的因素眾多，如拉桿布置在雨篷一側(cè)與拉桿在立柱前后兩側(cè)布置、拉桿與雨篷相鋼梁連接的位置、拉桿與雨篷連接點附近是否布置斜撐等都會影響雨篷整體受力性能，具體分析過程如下：

拉桿僅布置在雨篷一側(cè)，其他桿件均與方案二相同。鋼梁最大應(yīng)力比1.73，斜拉桿最大應(yīng)力比0.09，應(yīng)力分布主要集中在四榀主鋼梁支座附近，空間最大位移209.1 mm，位于A ～B 軸之間的次梁頂端，該變形值不符合設(shè)計規(guī)范要求，圓鋼柱對雨篷的約束較弱，同時由于雨篷懸挑距離較長，自身變形程度大，通過拉桿也會使圓鋼柱產(chǎn)生較大變形。

通過荷載簡圖及彎矩圖（圖2），研究拉桿與雨篷連接的最合理位置。

圖2 荷載簡圖及彎矩圖圖

根據(jù)荷載簡圖可知，M1=1/2 qL12、M2=M1=1/8 qL22-1/4 qL12，若桿件應(yīng)力最小，則結(jié)構(gòu)所受彎矩最?。◤澗亟^對值），即M1=M2，解得L1/L2=1/ ，L1/L ≈3/10。如圖3 所示，結(jié)合實際情況，拉桿和雨篷的交點在3/10 附近的鋼梁交點即為最合理布置點。

圖3 支座最優(yōu)位置圖

拉桿與雨篷連接節(jié)點周圍不設(shè)置斜撐，其他桿件均與方案二相同。鋼梁最大應(yīng)力比0.456，斜拉桿最大應(yīng)力比0.208，應(yīng)力分布主要集中在四榀主鋼梁支座附近及斜拉桿與鋼雨篷連接點附近，其余部位鋼梁及斜拉桿應(yīng)力分布較為均勻?？臻g最大位移44.3 mm，位于B 軸主鋼梁頂端，該變形值符合設(shè)計規(guī)范要求，與方案二相比，斜拉桿與鋼雨篷連接點附近鋼梁的應(yīng)力均有所增加。

6 結(jié)論

通過兩種方案分析可以看出，方案二應(yīng)力分布更為均勻，鋼梁的應(yīng)力較小，由于空間斜拉桿的作用，有效改善了結(jié)構(gòu)受力形式，保證結(jié)構(gòu)處于屈服強度內(nèi)，且有足夠的安全儲備。

影響空間斜拉桿的因素較多，主要包括：（1）斜拉桿的布置。斜拉桿若僅在鋼雨篷一側(cè)布置，則柱腳在混凝土梁上的連接為非理想剛接，會導(dǎo)致圓鋼柱對雨篷的約束較小，起不到控制撓度的作用。（2）斜拉桿的布置角度影響著結(jié)構(gòu)的受力合理性。一端懸挑單跨簡支，支座設(shè)置使懸挑梁長度為3/10 梁總長時最為合理。（3）鋼拉桿選型。拉桿截面較小，拉桿易產(chǎn)生較大軸向變形，對雨篷撓度控制無效果；拉桿截面較大，一方面會造成浪費，另一方面會影響觀感，所以要確保拉桿具有一定抗拉剛度。（4）拉桿還需要具有一定的抗壓剛度。當(dāng)向上的風(fēng)壓大于結(jié)構(gòu)與裝飾構(gòu)件自重之和時，此時鋼拉桿受壓，確保在壓力作用下，鋼拉桿沒有變形的可能，同時也要保證鋼雨篷在負(fù)風(fēng)壓作用下無較大變形，確保雨篷上的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不被破壞。（5）在鋼拉桿與雨篷連接節(jié)點周圍設(shè)置斜撐。由于鋼拉桿豎直投影線與鋼梁未在同一直線上，增加此斜撐能將拉桿的力更均勻的傳遞到周圍的鋼梁，除此之外，斜撐也能增加鋼雨篷平面的剛度。（6）斜拉桿的布置。將鋼雨篷兩端背面的兩根斜拉桿呈一定角度布置，能夠有效抵抗因地震作用產(chǎn)生的水平力，保證結(jié)構(gòu)在地震作用下的穩(wěn)定性。