某大跨度鋼結構雨蓬設計

袁建偉

【摘要】某工程為觀演類建筑，建筑師對雨篷的整體造型、構件形狀尺寸、節(jié)點細部處理等提出了一系列要求，目的是使雨篷達到建筑結構的完全統(tǒng)一。配合建筑設計，結構設計進行了多方案比較，最終形成了圓管拱+異型截面梁的方案。本文就這一結構的受力特點和設計難點展開介紹。

【關鍵詞】雨篷、拱結構、異型截面梁、節(jié)點設計

一、工程概況

圖1 某工程總體效果圖

某工程為觀演類建筑，大門雨篷是進入主體結構的必經(jīng)之路，也是觀眾對整個建筑近景第一印象形成的關鍵，所以建筑師對雨篷的整體造型、構件形狀尺寸、節(jié)點細部處理等提出了一系列要求，目的是使雨篷既是結構又是建筑，即結構構件完全外露，除了雨篷的玻璃面板不帶任何裝飾，達到建筑結構的完全統(tǒng)一。

大門雨篷位于南側，是整個建筑的主入口，外拱腳水平距離76.580m。下面就其結構布置特點、計算結果、構件驗算、節(jié)點設計等問題展開介紹。

二、結構布置

雨篷結構布置如圖2所示，沿一榀異型鋼梁得到的結構剖面如圖3所示，從以上兩圖圖可以看到，雨篷結構由兩片混凝土墻、5道圓鋼管拱、異型截面梁、幕墻立挺以及4根室內鋼柱組成。其中 G1（Φ102x5）作為異型截面梁懸挑端的封口構件，并不匯交到拱腳，僅起橫向連系梁的作用，截面也較小。G2（Φ299x12）和G3（Φ402x16）向主體結構方向傾斜，拱腳匯交在一起。G4（Φ402x16）向室外傾斜，是室內外的分界線，面內設置幕墻立挺，立挺下部固定在地下室外墻，G5（Φ299x12）在豎直面內，與G4拱腳匯交在主體結構地下室外墻頂。G2、G3、G4和G5之間通過異型截面鋼梁連接，組成互相平衡依托的穩(wěn)定空間受力體系。G3通過若干豎向短柱將荷載效應傳給下部的兩片混凝土墻，進而傳遞給基礎。室內由四根鋼柱與頂部鋼梁組成框架體系，支承室內異型鋼梁及部分懸挑鋼梁，其中北側鋼柱設置牛腿，支承相鄰的部分混凝土結構重量。

圖2 雨篷結構布置

圖3 雨篷結構剖面

異型梁截面如圖4所示，從G2到G5可以貫通的梁采用截面D，高度h根據(jù)建筑要求線性變化；僅連接G2和G3的異型梁采用截面E，高度h也呈線性變化，且每根異型梁高沿拱的方向也是變化的，從450mm到600mm不等，拱頂處截面高度最大，拱腳處最小。

所有構件材性均為Q345B。

圖4 異型梁截面形式

三、整體模型分析

分析軟件采用3D3S9.0，異型截面按照實際情況建模，變高度異型梁做分段處理。

1）荷載工況與組合

荷載考慮恒荷載、活荷載、雪荷載、風荷載、溫度荷載和地震作用等6個工況。其中風荷載考慮前風、后風、左風、右風四種情況。

荷載組合考慮如下情況：

（1） 1.35 恒載 + 1.40 x 0.70 活載

（2） 1.20 恒載 + 1.40 活載

（3） 1.20 恒載 + 1.40 風載

（4） 1.00 恒載 + 1.40 風載

（5） 1.20 恒載 + 1.10 溫度荷載

（6） 1.00 恒載 + 1.10 溫度荷載

（7） 1.20 恒載 + 1.40 活載+ 1.40 x 0.60 風載+ 1.10 x 0.70 溫度荷載

（8） 1.20 恒載 + 1.40 x 0.70 活載+ 1.40 x 0.60 風載+ 1.10 溫度荷載

（9） 1.20 恒載 + 1.40 x 0.70 活載+ 1.40 風載+ 1.10 x 0.70 溫度荷載

（10） 1.00 恒載 + 1.40 風載+ 1.10 x 0.70 溫度荷載

（11） 1.20 恒載 + 1.20 x 0.50 雪載 + 1.30 水平地震 + 1.30 x0.5 豎向地震

2）結構動力特性

動力特性是結構重量和剛度分布的宏觀表現(xiàn)，可以明確結構在地震作用下的整體性或者暴露結構對地震作用敏感的薄弱部位。通過分析結構動力特性如下圖所示。第1振型為室內部分的側向平動，原因是，北側柱牛腿承擔了相對自身側向剛度來說很大的豎向荷載。第2振型和第3振型為G2及其所連的異型鋼梁上下振動，這說明由于G2是斜放的拱，豎向剛度被削弱，從受力上更接近一根曲梁，異型鋼梁做為懸挑構件支承著G2，由此可見結構的豎向地震力不容忽視。第4振型為第1振型的高階形式，之后的許多階陣型均表現(xiàn)為第1和第2振型的高階或組合形式。

第1振型，T1= 0.6330 第2振型，T2=0.5890

第3振型，T3=0.4445 第4振型，T4=0.4311

圖5 雨篷結構動力特性

3）線性屈曲分析

在恒+風（風壓力）作用下，結構線性屈曲特征值最低，第1階屈曲特征值為17.3，第2階屈曲特征值為19.9，可見線性結構穩(wěn)定系數(shù)遠高于網(wǎng)殼規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定系數(shù)5。

第1屈曲模態(tài) 第2屈曲模態(tài)

圖6 線性屈曲模態(tài)

3）內力計算結果

G2、G4和G5內力主要是軸力，G2最大軸壓力為831.6kN，出現(xiàn)在柱腳部位，G2出平面計算長度取第1階線性屈曲模態(tài)的1/4波長，近似為15m，長細比為147，穩(wěn)定應力比0.47。G4、G5平面內外均有支撐構件，基本是強度控制，G4最大軸壓力為1550kN，應力比0.32，G5最大軸壓力718kN0，應力比0.34。

G3受力較復雜，軸力、彎矩、剪力、扭矩均不可忽略，最大應力比為0.68。

4）位移計算結果

室內北側柱頂最大水平位移為25 mm，最大容許位移為7648/300=25.5mm；拱3頂部水平位移23.7 mm，拱豎向矢高7808，按 H/300 控制，最大容許位移為7808/300=26.03mm，水平位移滿足規(guī)范要求。

圖7 發(fā)生最大柱頂位移時X向水平位移圖 圖8 發(fā)生最大柱頂位移時Y向水平位移圖

室外部分最大豎向撓度 93.4-12.9=80.5mm，懸臂跨度L=12696mm，撓跨比為1/315；室內部分主梁最大撓度20.1mm，跨度11583mm，撓跨比1/576；室內部分次梁最大撓度17mm，跨度16560mm，撓跨比1/974，豎向撓度滿足規(guī)范要求。

圖9 最大豎向位移圖

四、構件設計

異型截面鋼梁主要承受軸力和彎矩，且平面外長細比達到190，受彎構件整體穩(wěn)定系數(shù)無法直接查規(guī)范得到。為此取出強度應力比最大的一根鋼梁，建立簡支梁模型，跨度9.5m，截面按圖5截面D，其中截面參數(shù)hxt=500x8mm，假定承受豎向均布荷載10.5kN/m，按照梁單元平截面假定求得跨中截面最大應力為65.5MPa。

圖10 簡支梁第1階屈曲模態(tài) 圖11 施加一致缺陷后的極限應力狀態(tài)

采用單元shell143建立該簡支梁的ANSYS模型，在以上荷載作用下，梁跨中最大應力為66.2MPa，與按梁單元計算的結果幾乎一致。然后進行特征值屈曲分析，第1階屈曲模態(tài)如圖10所示，表現(xiàn)為梁面外屈曲，將第1階屈曲模態(tài)作為初始缺陷施加到該簡支梁，缺陷絕對值按梁跨度的1/750控制。最后進行考慮初始缺陷的雙非線性極限承載力分析，在3.07倍設計荷載下，該梁達到承載力極限狀態(tài)，此時Mises應力如圖11所示。從圖11可以看出，達到承載力極限狀態(tài)是最大應力出現(xiàn)在端部腹板靠近下部圓管部位，屬于腹板的局部屈曲。保守考慮，認為該狀態(tài)即為該梁的承載力極限狀態(tài)。

根據(jù)《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017-2003）式5.2.2-3有

（1）

式中 表示1倍設計荷載是跨中彎矩， 表示跨中截面抗彎模量。將極限應力狀態(tài)帶入上式得：

（2）

其中 ，所以 ?？紤]到尚有其他不利因素未考慮在內，所以在設計中該梁受彎構件整體穩(wěn)定系數(shù)取0.5。由此驗算得到西雨篷異型截面梁最大應力比0.56，對比位移計算結果可知該梁為撓度控制而非應力控制。

五、節(jié)點分析

前文提到，部分異型截面梁僅連接G2和G3，在G3內側沒有相應構件平衡，該梁的工作狀態(tài)更像一根懸臂梁，所以對根部節(jié)點區(qū)的剛度有很高要求，但根據(jù)建筑設計，異型截面梁只有下部圓管相貫于G3，上翼緣無法實現(xiàn)于G3的可靠連接，為此同建筑專業(yè)協(xié)商，將該梁根部節(jié)點設計成如圖12所示形式，節(jié)點區(qū)域腹板加厚，并延伸一段以增加梁與拱的連接剛度。

圖12 懸臂梁根部節(jié)點構造

該類梁最大內力為：軸力N=-25.5kN，繞強軸彎矩158.8kN·m，繞弱軸彎矩5.7 kN·m，懸挑跨度9.340m。采用單元shell143建立該懸臂梁的ANSYS模型，與梁單元結果比較如下。

1）剛度對比：梁單元模型端部豎向撓度30. 9 mm，側向位移19.7 mm；Ansys模型端部豎向撓度32.4 mm（如圖12所示），側向位移14.5 mm。豎向剛度略低于理想模型，兩者相差5%以內，這一誤差在可接受范圍之內。由此說明采用以上的節(jié)點構造方式與整體模型中對梁端剛度的假定是一致的。

圖12 Ansys懸臂梁模型豎向撓度 圖13 設計荷載下懸臂根部Mises應力

2）應力對比：按強度計算的梁單元根部最大應力為94.2MPa，Ansys模型為173MPa。從圖13可以看出，存在這一差異的原因是懸臂根部存在應力集中現(xiàn)象，局部高應力區(qū)出現(xiàn)在腹板與G3相接部位。在該設計荷載作用下，節(jié)點區(qū)處于彈性狀態(tài)，可以認為該節(jié)點是安全可靠的。

總 結

通過對某工程雨篷設計的全面論述，可以得出如下結論：

1）雨棚結構為受力復雜的空間結構，且構件為異型截面，整體模型采用真實截面形狀模擬，保證了計算結果的準確性。

2）對于異型復雜截面構件驗算，由于沒有適合的規(guī)范條文可依據(jù)，必須進行更深入分析，才能確保構件的設計安全。

3）鋼結構節(jié)點構造措施必須與整體模型計算假定保持一致。

參考文獻

[1]鋼結構設計規(guī)范（GB50017-2003）[S]. 北京：中國計劃出版社. 2003.

[2]網(wǎng)殼結構技術規(guī)程（JGJ61-2003）[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社. 2003.

[3]沈世釗，陳昕. 網(wǎng)殼結構穩(wěn)定性 [M]. 北京：科學出版社. 1999