淺析大懸挑雨篷鋼結(jié)構(gòu)及其連接設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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(jì)算模型介紹

該雨篷寬約6m，外挑約14.4m，面板為點(diǎn)支撐玻璃（HS12+1.9PVB+ HS12），雨篷主受力結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)通過錨栓與主體結(jié)構(gòu)連接。雨篷平面如圖1所示。

圖1 雨篷結(jié)構(gòu)平面圖

雨篷懸挑鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的水平鋼管與主體結(jié)構(gòu)的連接亦視為鉸接，并釋放水平方向剪力。SAP2000中的結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖2所示，藍(lán)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(jì)算模型

2 雨篷主受力結(jié)構(gòu)分析[1][5]

根據(jù)該工程對結(jié)構(gòu)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(fēng)荷載[7]1.06 kPa，豎直向上負(fù)向風(fēng)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(diǎn)支撐玻璃，各駁接爪件平均分擔(dān)相應(yīng)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(shí)考慮1.1kN的維修荷載[2]，作用于鋼結(jié)構(gòu)最不利位置。以上荷載均為標(biāo)準(zhǔn)值。拉索預(yù)應(yīng)力值為其破斷力的7.5%，在SAP2000中通過施加0.8‰的應(yīng)變來實(shí)現(xiàn)。

雨篷是懸挑結(jié)構(gòu)，最大變形出現(xiàn)在懸挑結(jié)構(gòu)端部[3]。由于懸挑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jì)算結(jié)果可見，最不利荷載組合為1.0D+1.0Wp（正風(fēng)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(jié)構(gòu)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(cè)向地震荷載7.3

不同荷載工況下鋼管的最大應(yīng)力值如表2所示，各工況下鋼結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值為146.73MPa，小于12.7mm厚鋼材的抗拉壓彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值215MPa[1]，該鋼結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

表2 不同荷載工況下的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值

從撓度變形和強(qiáng)度校核的結(jié)果來看，該雨篷鋼結(jié)構(gòu)受撓度控制。因此在設(shè)計(jì)過程中，滿足外觀要求的情況下，一方面應(yīng)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(diǎn)的剛度，以此來實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)整體小變形的目的。

3 雨篷連接節(jié)點(diǎn)分析

受幕墻完成面的限制，支撐雨篷懸挑結(jié)構(gòu)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(shè)置兩道加勁肋，以提高支撐剛度，降低根部的扭轉(zhuǎn)。連接件根部采用8根加長化學(xué)錨栓連接至混凝土結(jié)構(gòu)。方鋼管前端設(shè)有25mm厚的連接耳板，耳板前端設(shè)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(yù)留的較大間隙可用于適應(yīng)鋼結(jié)構(gòu)受溫度影響產(chǎn)生的伸縮量以及安裝時(shí)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(zhì)量。

由SAP2000的計(jì)算結(jié)果中讀取最不利荷載組合下的反力結(jié)果，通過Workbench來校核連接節(jié)點(diǎn)的變形及強(qiáng)度。連接節(jié)點(diǎn)的workbench計(jì)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(jì)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(diǎn)計(jì)算模型

連接節(jié)點(diǎn)最大變形為0.076mm，位于耳板端部，遠(yuǎn)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(guān)鍵性的作用。

連接節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)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(qiáng)度設(shè)計(jì)值為205MPa[1]，最大應(yīng)力值小于該限值，滿足承載力極限狀態(tài)的要求。從workbench計(jì)算模型中，亦可讀取錨栓群的反力，用于進(jìn)一步校核連接錨栓。

4 總結(jié)

該雨篷懸挑跨度較大，拉索間歇性參與工作，設(shè)計(jì)簡潔經(jīng)濟(jì)，焊接質(zhì)量容易保障，安全性高。在連接節(jié)點(diǎn)的處理上，在保證連接節(jié)點(diǎn)的剛度的同時(shí)，又能做到“收放自如”，很好的適應(yīng)結(jié)構(gòu)的變形。

有限元軟件的迅速發(fā)展，為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)分析帶來了契機(jī)。有限元模型可基本還原實(shí)際受力模型，避免了手工計(jì)算時(shí)模型簡化導(dǎo)致的計(jì)算誤差，使設(shè)計(jì)更加安全、經(jīng)濟(jì)、合理。