臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)大懸挑雨篷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案比選

沈意

（浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231）

因建筑的功能要求，在主樓標(biāo)高4.700 處設(shè)置雨篷，北側(cè)雨篷懸挑長度為2.600m，東側(cè)懸挑2.100m，東北角大雨篷最大跨度約13.1m，如圖1 所示。北側(cè)和東側(cè)雨篷較長，因此通過抗震縫與角部大雨篷脫開。

圖1 大懸挑雨篷建筑平面圖

項(xiàng)目位于浙江舟山，風(fēng)荷載較大。懸挑大雨篷采用鋼結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮其自重小、抗震性能較強(qiáng)、承載力較高等優(yōu)點(diǎn)。但鋼雨篷懸挑大，主樓可供支承的框架柱少，對于承受地震作用和風(fēng)荷載均較大的大懸挑鋼雨篷，選擇怎么樣的結(jié)構(gòu)布置方式，既安全又經(jīng)濟(jì)，是結(jié)構(gòu)工程師面臨的難題[1-2]。結(jié)合工程實(shí)際，對比分析比較常用的四種結(jié)構(gòu)方案，為其他類似項(xiàng)目提供參考。

1 結(jié)構(gòu)布置方案

大雨篷相鄰主樓采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，能夠提供支承作用的僅四根柱子和邊梁。大雨篷上蓋玻璃，因此大雨篷采用鋼結(jié)構(gòu)。在不增加立柱的前提下，針對懸挑較大的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難題，分別采用下方設(shè)置斜撐或者上方采用拉桿的兩種結(jié)構(gòu)方案；后來在這兩者初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在不影響大廳門口的交通的情況下，從地下室頂板樓面梁上抬兩根立柱，成為第三種結(jié)構(gòu)布置方案。

1.1 斜撐結(jié)構(gòu)方案

從立柱根部設(shè)置兩根斜撐，如圖2 所示，斜撐中心線長度約為5.83m，從支撐上端點(diǎn)起算，最大懸挑跨度仍有7.0m。

圖2 方案一斜撐方案結(jié)構(gòu)布置

1.2 拉桿結(jié)構(gòu)方案

欄桿模型則是在常規(guī)懸挑梁布置方式上，通過拉桿減少鋼結(jié)構(gòu)承擔(dān)的荷載。鋼拉桿采用實(shí)芯圓棒，長度約為10.4m，從拉桿下端點(diǎn)可以看到，懸挑最大距離4.06m，見圖3。

圖3 方案二斜拉桿方案結(jié)構(gòu)布置

圖4 方案三新增立柱方案結(jié)構(gòu)布置

1.3 增柱結(jié)構(gòu)方案

1.4 樹杈結(jié)構(gòu)方案

為了更進(jìn)一步減小懸挑跨度，在立柱頂部設(shè)立樹杈柱，如圖5。

圖5 方案四新增樹杈方案結(jié)構(gòu)布置

2 桿件截面與荷載取值

針對上述四個(gè)不同結(jié)構(gòu)布置方案分別進(jìn)行建模分析，鋼材等級選為Q355B，鋼梁截面規(guī)格以H450×200×9×14 和H250×125×6×9 為主，柱腳剛接。方案一斜撐兩端鉸接，斜撐、與之相鄰的桿件截面增大到H550×300×11×18。方案二拉桿采用SR150實(shí)腹鋼棒，兩端鉸接，與拉桿相鄰的桿件截面同樣采用H550×300×11×18。方案三新增立柱采用P450×9 的圓鋼管，方案四樹杈桿截面均為P245×9 的圓鋼管。

結(jié)構(gòu)自重程序自動(dòng)計(jì)算，并放大1.1 倍以考慮構(gòu)件節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)等措施。針對雨篷上覆玻璃及固定用玻璃爪的重量，附加恒載取為0.4kN/m2。 雨 篷 活 荷 載 取0.5kN/m2，雪荷載基本雪壓也是0.5kN/m2，二者不重復(fù)計(jì)算?；撅L(fēng)壓取值0.85kN/m2（50 年一遇），風(fēng)吸力體型系數(shù)取為1.4，風(fēng)振系數(shù)取為1.5[1]。鋼結(jié)構(gòu)玻璃雨棚，重量較輕，分析時(shí)不考慮地震作用。

3 計(jì)算結(jié)果比較

主要比較不同結(jié)構(gòu)方案對應(yīng)的豎向變形、風(fēng)吸力下向上的豎向變形，以及各種組合工況下桿件最大穩(wěn)定應(yīng)力比。風(fēng)荷載主要考慮上吸不利工況，工況組合時(shí)風(fēng)荷載負(fù)號代表雨篷作用同樣大小的風(fēng)壓力，對于接近平面的雨篷，風(fēng)壓力為零，因此在荷載組合時(shí)去掉風(fēng)荷載負(fù)號的情況。

3.1 豎向變形

在“1.0 恒+1.0 活”標(biāo)準(zhǔn)組合下，四種方案所對應(yīng)的豎向變形結(jié)果見圖6，最大豎向變形較為接近，在55.7～71.0mm 之間。不同的是，方案一和方案二最大變形主要出現(xiàn)在雨篷中間懸挑最大的端部，而方案三和方案四，新增立柱減少了雨篷的懸挑長度，最大變形出現(xiàn)在兩側(cè)。風(fēng)吸力下雨篷的變形分布類似圖5，方向相反，結(jié)果如表1 所示，新增立柱可有效地將向上變形減小約一半。

表1 風(fēng)吸力下的向上豎向變形/mm

圖6 恒活標(biāo)準(zhǔn)組合下不同方案對應(yīng)的豎向變形（mm）

3.2 桿件受力特性

圖7“1.3 恒+1.5 活”下方案一和方案二的軸力

恒活基本組合下，方案一對應(yīng)桿件軸力如圖7 所示，可以看出，斜撐受到軸壓力660.7kN，頂部雨篷相連桿件受拉，軸拉力為312.2kN。方案二拉桿對應(yīng)的軸拉力為449.7kN，如圖6（b）所示；而上吸風(fēng)對應(yīng)拉桿的軸壓力為294.1kN。

各種工況下構(gòu)件的應(yīng)力比結(jié)果如圖8 所示，最大應(yīng)力控制在0.6～0.8 之間，方案四的最大應(yīng)力比最小。

圖8 不同方案對應(yīng)的最大穩(wěn)定應(yīng)力比

3.3 經(jīng)濟(jì)性比較

統(tǒng)計(jì)雨篷鋼用量，四個(gè)方案對比情況如表2。結(jié)合圖7 的應(yīng)力比看，在應(yīng)力比最小的情況下（相當(dāng)于安全儲備最大），方案四的用鋼量反而最小，說明了通過樹杈柱有效減小了鋼雨篷的懸挑長度，受力合理，因此實(shí)際設(shè)計(jì)中采用了此方案。

表2 用鋼量比較/ton

4 結(jié)論

通過設(shè)置鋼斜撐、鋼拉桿、增設(shè)立柱和增設(shè)樹杈柱的四個(gè)結(jié)構(gòu)方案比選，發(fā)現(xiàn)增設(shè)樹杈柱的結(jié)構(gòu)方案，減小鋼雨篷懸挑跨度最有效，在應(yīng)力比最小的前提下，用鋼量反而最省，體現(xiàn)了安全經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)原則，成為最終選擇的結(jié)構(gòu)布置方案。