孫曉靜

北京中信渤海鋁幕墻裝飾工程有限公司 北京 100125

1 雨篷計算模型介紹

該雨篷寬約6m，外挑約14.4m，面板為點支撐玻璃（HS12+1.9PVB+ HS12），雨篷主受力結構由直徑323.9mm和355.6mm的鋼管及直徑為22mm的不銹鋼拉索組成，鋼管間坡口焊接，拉索與鋼管之間通過銷軸連接，拉索、鋼結構通過錨栓與主體結構連接。雨篷平面如圖1所示。

圖1 雨篷結構平面圖

雨篷懸挑鋼結構與主體的連接視為鉸接，鋼管間視為剛接，拉索與鋼管間視為鉸接。支撐雨篷懸挑結構的水平鋼管與主體結構的連接亦視為鉸接，并釋放水平方向剪力。SAP2000中的結構計算模型如圖2所示，藍色為直徑323.9mm鋼管，橘色為直徑355.6mm鋼管，綠色為直徑22mm不銹鋼拉索。

圖2 雨篷在SAP2000中的計算模型

2 雨篷主受力結構分析[1][5]

根據(jù)該工程對結構性能的要求，荷載取值如下：重力荷載[6]0.65kPa，水平方向地震荷載[4]0.26 kPa，豎直向下正向風荷載[7]1.06 kPa，豎直向上負向風荷載[7]1.26 kPa；豎直向下均布活荷載[6]0.58 kPa。由于面板是點支撐玻璃，各駁接爪件平均分擔相應分格尺寸玻璃面板的面荷載，并以集中荷載的形式傳遞至鋼龍骨上。同時考慮1.1kN的維修荷載[2]，作用于鋼結構最不利位置。以上荷載均為標準值。拉索預應力值為其破斷力的7.5%，在SAP2000中通過施加0.8‰的應變來實現(xiàn)。

雨篷是懸挑結構，最大變形出現(xiàn)在懸挑結構端部[3]。由于懸挑結構除了根部連接外，還搭落在一根水平鋼管上面，因此其變形值取為水平管支撐位置到端部的相對撓度。以1.0自重荷載下的撓度取值為例（圖3），端部豎向變形為7.6mm，水平管支撐處豎向變形為1.5mm，懸挑結構的最大變形為7.45mm-1.53mm=5.92mm。不同荷載組合下?lián)隙茸冃沃等绫?所示。由計算結果可見，最不利荷載組合為1.0D+1.0Wp（正風壓），最大變形值為22.3mm。 本工程要求撓度限值為懸挑長度的1/240，該雨篷撓度限值為8117mm/240=33.8mm，最大變形值小于撓度限值，滿足功能性要求。

圖3 1.0自重荷載下的豎向變形值

表1 不同荷載工況下的結構最大變形值

1.0自重+1.0活荷載14.2 1.0自重+1.0維修荷載4.9 1.0自重+1.0側向地震荷載7.3

不同荷載工況下鋼管的最大應力值如表2所示，各工況下鋼結構的最大應力值為146.73MPa，小于12.7mm厚鋼材的抗拉壓彎強度設計值215MPa[1]，該鋼結構滿足強度設計要求。

表2 不同荷載工況下的結構最大應力值

從撓度變形和強度校核的結果來看，該雨篷鋼結構受撓度控制。因此在設計過程中，滿足外觀要求的情況下，一方面應盡可能增大截面尺寸，減小截面厚度，提高截面慣性矩，另一方面增大雨篷生根點的剛度，以此來實現(xiàn)鋼結構整體小變形的目的。

3 雨篷連接節(jié)點分析

受幕墻完成面的限制，支撐雨篷懸挑結構的水平鋼管（直徑355.6mm圓形鋼管）是通過一個長度約1m的特制鋼連接件與混凝土柱連接。該連接件是從混凝土柱表面挑出約1m長的截面尺寸為250x16mm的方鋼管，并在其根部每個面靠近翼緣位置各設置兩道加勁肋，以提高支撐剛度，降低根部的扭轉。連接件根部采用8根加長化學錨栓連接至混凝土結構。方鋼管前端設有25mm厚的連接耳板，耳板前端設有直徑為88mm的圓孔，耳板通過一個直徑50mm的不銹鋼銷軸與水平鋼方管連接。銷軸四周預留的較大間隙可用于適應鋼結構受溫度影響產(chǎn)生的伸縮量以及安裝時的工程偏差，因此銷軸軸向受拉，不受剪力作用。此連接件在加工廠完成加工，可保證加工精度及焊接質量。

由SAP2000的計算結果中讀取最不利荷載組合下的反力結果，通過Workbench來校核連接節(jié)點的變形及強度。連接節(jié)點的workbench計算模型，如圖4所示，圖中A表示作用于耳板上的反力（Force），由SAP2000計算得出，數(shù)值為39.67kN，方向豎直向下；B表示錨栓的約束形式（Displacement），按照鉸接處理。

圖4 連接節(jié)點計算模型

連接節(jié)點最大變形為0.076mm，位于耳板端部，遠小于連接件變形需小于1mm的要求。方鋼管根部的加勁肋對控制連接件的變形起到了關鍵性的作用。

連接節(jié)點的最大應力值為159.45MPa，出現(xiàn)在耳板加勁肋連接處。16～40mm厚的Q235鋼板的抗拉壓彎強度設計值為205MPa[1]，最大應力值小于該限值，滿足承載力極限狀態(tài)的要求。從workbench計算模型中，亦可讀取錨栓群的反力，用于進一步校核連接錨栓。

4 總結

該雨篷懸挑跨度較大，拉索間歇性參與工作，設計簡潔經(jīng)濟，焊接質量容易保障，安全性高。在連接節(jié)點的處理上，在保證連接節(jié)點的剛度的同時，又能做到“收放自如”，很好的適應結構的變形。

有限元軟件的迅速發(fā)展，為復雜的結構分析帶來了契機。有限元模型可基本還原實際受力模型，避免了手工計算時模型簡化導致的計算誤差，使設計更加安全、經(jīng)濟、合理。