大跨度大悬臂钢结构雨棚结构方案

陈道耘

厦门永榕置业有限公司（361012）

大跨度大悬臂钢结构雨棚结构方案

陈道耘

厦门永榕置业有限公司（361012）

通过对大跨度大悬臂雨棚结构、美观、规划等方面的深入分析，提出了一个可行的水平拱桥式桁架、竖向三角式桁架的复杂空间桁架结构体系方案，该方案的灵感及分析有助于拓展类似项目分析思路。

大悬臂；大跨度；钢结构；雨棚；拱桥；桁架

1 工程概况

该雨棚所在项目为我公司开发的超高层综合楼项目（塔楼为酒店、裙房为商业）——宝嘉中心，

为了酒店入口美观及遮光挡雨的需要，在酒店大堂主入口设置悬臂13 m的雨棚,见图1（最终效果图）。

图1 雨棚效果图

2 雨棚结构体系的选定

2.1 结构现状

根据室内装修设计理念的需要，在雨棚下方需设计成向外凸的弧形玻璃幕墙及酒店大堂入口（图2弧1），另外根据规划及外立面设计要求，雨棚上方是向内凹的圆弧形状玻璃幕墙（图2弧2），并且两弧是相切的，由此造成Z1与Z2间不允许设置中间柱以减少跨度，这样使得雨棚Z1与Z2间跨度达到24 m，见图2。

图2 酒店入口一层平面图

2.2 雨棚结构体系

根据上述已知条件，雨棚可采用网架式、悬臂桁架式、三角桁架式体系，它们的特点见表1。

表1 各方案结构体系特点

图3 方案1、2简图

图4 方案3简图

综上分析，采用方案3较为理想，但会遇到如下问题,导致无法设置梁A:①根据刚度要求梁A高约24 000/20=1 200 mm左右，会影响酒店大堂空间品质；②如果Z1与Z2间设直梁，建筑面积应沿着直梁计算，总建筑面积会超过规划要求（根据当地规划面积计算规则，只能沿着弧2轮廓边算建筑面积）；③为了保证入口雨棚的简洁及美观,标高7.4 m处雨棚厚度只允许控制在300 mm左右,因此无论梁A上反还是下凸，水平直梁均会凸出雨棚面；④如果多增设一道拉压杆3（图5），可减少支座A的Y向剪力至可忽略的程度（图6），但由于还需承担较大的X向轴力，所以梁A会很宽，会影响酒店大堂空间品质。

图6 方案3增设拉压杆前后剪力对比（SM Solver）

为了解决上述问题,遍历目前常见的结构形式，可以找到既可控制支座A截面，又可规避直梁的例子——拱桥。拱形结构是一种推力结构，构件跨中受压，而两端支座受剪力及压力，这个特点如何运用到雨棚中呢?视X向轴力为竖向力，支座A为拱形构件，那么杆件A的受力方式正如水平搁置的拱形结构。为了减轻自重及控制截面尺寸，雨棚结构采用钢结构，另外为了控制长细比及避免失稳，考虑增设拉压杆3（与上文中为了减少支座反力的措施不谋而合）给水平杆件提供侧向支承，由此形成了水平拱桥式桁架、竖向三角式桁架的复杂空间桁架体系，具体见图7。

图7 最终渲染图

3 雨棚的结构分析

钢材采用Q345-B，并采用3d3s 9.0建模分析，设计参数及分析结果如下:

3.1 风及地震设计参数

表2 风及地震设计参数

3.2 荷载组合

按《建筑结构荷载规范》、《钢结构设计规范》考虑承载力极限状态基本组合、正常使用极限状态标准组合。

表3 主要振型地震周期

表4～6转下页。

4 与主体结构连接

该雨棚跨度大、悬臂长、支座反力大并且作用于主体框架柱、框架梁跨中范围，对与主体结构连接的可靠性要求高。如果采用常规的锚板＋锚筋的做法，锚筋数量多且无法解决集中力对主体结构不利的问题。因此结合上部大跨度的需要，采用劲性柱及劲性梁。这些梁柱内型钢通过加劲板及锚板与雨棚连接,这样既保证连接节点受力的连续性，又保证雨棚与主体结构连接安全及主体结构安全。

表4 主要杆件内力及选型

表5 支座内力

表6 主要节点位移

5 施工措施

基于本雨棚杆件尺寸的特点，杆件的运输、吊装、连接技术要求也相应较高，这个需要由钢构深化单位合理的拆图及施工单位详尽的施工方案来保证。由于篇幅原因，就不再展开讨论。

6 结论

任何结构的实现，都基于基本结构概念，只不过有时需要化整为零，有时需要化零为整。暂且不讨论是否可避免非常规结构的可能，当按常规思路无法处理时，我们应该开阔思路去思考新的解决办法。百变不离其踪，结合雨棚的客观条件，从受力、支承需求出发，结合拱的受力特性，成功解决了大跨度水平力传递问题及大悬臂问题。

[1]GB 50009-2012,建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[2]GB 50017-2003钢结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[3]GB 50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.