大悬挑钢结构拱形雨篷节点设计与有限元分析

高 健 姜 健 李一松

(1．同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海200092;2．同济大学土木工程学院，上海200092)

1 引言

现代建筑工程中，雨篷是建筑物必不可少的辅助构件，一般设置在人员流动较大的建筑物出入口［1－2］。随着中国钢材产量的大幅度提高，钢结构设计建造技术的不断进步，钢结构雨篷以其强度高，自重小，抗震性、抗倾覆能力强等特点受到越来越多的关注。其常见形式有拉杆式、拉索式、桁架式和钢网架式等［3－4］。在实际工程中，受到主体建筑物的外形要求以及实际使用需要，雨篷的跨度和悬挑较大，设计时一般采用悬臂钢梁与斜拉杆相结合的方式［5］，以减小主要受力钢梁的截面，保证结构安全。但斜拉杆的老化和锚固问题常常影响雨篷承载性能，工程中常采用拱形网架代替斜拉杆。但是，大跨度和大悬挑钢结构雨篷，由于跨度较大再加上现阶段设计、施工技术的局限，无法完全控制其结构上的各种荷载及其可能对结构产生的各种不利影响，包括大面积的屋面风荷载、温度变化荷载、雪荷载、堆积和不均匀分布等［6－7］。

大悬挑钢结构雨篷的设计过程中，重点需要综合考虑雨篷的自重，风荷载、雪荷载等。大悬挑雨篷结构中破坏形式最为严重和最为危险的是挑梁倾覆破坏［8－10］。挑梁倾覆破坏是挑梁连接的混凝土柱局部受压破坏和挑梁本身的破坏，在结构设计过程中需要设计多种结构模型，经过大量缜密的计算分析，反复试验和研讨论证，得出最安全、最科学的设计结构。本文针对海门市公共资源交易中心项目，详细分析了大悬挑钢结构拱形雨篷的设计，对两种不同的关键节点进行了有限元分析，为相关工程设计提供了一定参考。

2 工程概况

海门市公共资源交易中心建设项目位于江苏省海门市，其地上部分由三个单体组成，地下为整体车库。东侧单体主楼地上4层，结构总高19．6 m，为多层建筑，平面形状为较规则长矩形，结构平面外包尺寸为97．2 m×40．5 m。建筑效果图如图1所示。建筑抗震设防类别为乙类，抗震设防烈度为6度，结构体系采用钢筋混凝土框架结构，框架抗震等级三级。底层层高5．4 m，二层、三层层高4．8 m，四层层高4．6 m。主要柱网尺寸为 8．1 m ×8．1 m，中庭部分跨度为 16．2 m，采用预应力梁结构。楼屋盖采用现浇梁板式。

3 大悬挑钢结构雨篷

海门市公共资源交易中心项目东侧单体建有钢结构拱形玻璃雨等，该雨篷两端位于一层顶板位置，从两边向中间逐渐向外悬挑并向上起拱，跨中接近二层底板位置，雨篷跨度为97．2 m，最大起拱处5 m(接近二层层高5．4 m)，跨中最大外挑7 m。雨篷的整体结构布置如图2所示。

图1 工程效果图Fig．1 Architectural effect drawing

图2 大悬挑钢结构拱形雨篷结构布置Fig．2 Schematic of the steel canopy

雨篷由贯穿钢筋混凝土柱的钢管主梁和外伸钢管挑梁组成的钢网架构成。在混凝土柱内预埋钢骨以提高节点整体抗倾覆性能，典型的预埋件如图3所示。钢筋混凝土柱尺寸为900 mm×900 mm，采用 C30混凝土，纵筋 32 36，箍筋

12@100。雨篷钢网架采用Q345钢材，钢构件的规格设计为:贯穿柱的主梁采用800×300×25×25矩形钢管，挑梁采用700×300×20×20矩形钢管。以下将详细介绍雨篷网架与混凝土柱的连接节点的设计和构造措施。

3．1 纵向主梁与柱的连接

在钢筋混凝土柱内预埋矩形钢箱以拼接钢管主梁，尺寸如图3所示，在钢箱上下表面焊接4块650 mm长钢板，板间通过两排三层 25钢筋连接，组成预埋加劲钢骨，钢箱上焊接螺栓以增强其余混凝土的粘结，钢箱上预留圆孔，以便混凝土浇筑。由于该雨篷悬挑距离较大，主梁根部受力较大，在加劲板与钢箱连接对应位置处设置加劲肋，以增强钢箱根部承受能力，埋板固定的螺栓布置以及主梁与埋板连接的加劲肋布置如图3和图4所示。

图4 预埋件三维立体Fig．4 3D view of the embedded member

表1 钢结构雨篷节点构件尺寸Table 1 Dimensions of the beam-column joint

3．2 雨棚挑梁与柱节点

横向挑梁与纵向主梁的连接如图3(b)所示，挑梁与柱内预埋钢箱采用焊接连接，另外，上下翼缘采用贴板予以加强，以保证节点刚度。

4 有限元分析

本节采用有限元软件ABAQUS建立两种雨篷关键节点模型，一种是第3节中介绍的工程中采用的贯穿梁柱模型(节点1)，另一种是最初设计时考虑的焊接梁柱模型(节点2)，即挑梁和主梁与柱表面的预埋件焊接连接。因为该结构的跨度和悬挑尺度均较大，即使各杆件的受力仍处于弹性阶段，但其几何方程则已是非线性的，故分析时考虑了几何非线性的影响。通过比较两种节点模型的受力性能，提出钢结构雨篷节点的设计建议。

4．1 节点1有限元分析

首先研究节点1的受力性能。其有限元模型如图5所示。模型中钢筋混凝土柱取第二层层高5．4 m，贯穿柱的主梁左右各取半跨，共3．9 m，挑梁取全长7 m。为了简化分析，建模时没有考虑预埋钢箱，主梁直接贯穿混凝土柱，在主梁上下表面外伸钢板和锚筋以模拟预埋钢骨;挑梁与主梁焊接，其中柱内的主梁和挑梁部分内部灌有混凝土;主梁在柱内表面没有定义螺栓，模型中定义钢梁表面与混凝土完全粘结。模型中，钢柱和主梁两端固接，挑梁相当于悬臂梁。

图5 节点1的有限元模型Fig．5 Finite element model of Joint 1

本模型考虑实际雨篷受力情况，根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)［11］查得雨篷体型系数为0．3，其计算得到的风荷载与恒活载相比较小，故本文分析中忽略其影响。考虑恒载1．5 kN/m2和活载1 kN/m2，可计算雨篷的设计荷载:L=1．5 ×1．2+1 ×1．4=3．2 kN/m2，考虑雨篷挑梁左右半跨长度2．7 m，可得作用在挑梁上的线荷载为 q=3．2 ×2．7=8．64 kN/m，本例中偏保守取q=9 kN/m。

经过有限元静力分析，挑梁的应力分布如图6所示，最大应力发生在挑梁与混凝土柱连接处，大小为33 MPa，约为钢材屈服强度的1/10。主梁与挑梁连接处的上下表面分别产生较大的拉压应力(图7)，但不超过5 MPa;混凝土柱与挑梁连接处产生1．4 MPa拉应力(图8)，未超过混凝土的抗拉强度(2．0 MPa);连接处纵筋和箍筋产生较小的拉力(图9)，预埋加劲锚筋受力较小，如图10所示。

图6 挑梁应力分布(节点1)Fig．6 Stress distribution of cantilever beam(Joint 1)

图7 主梁应力分布(节点1)Fig．7 Stress distribution of the primary beam(Joint 1)

图8 混凝土柱沿挑梁方向应力(节点1)Fig．8 Stress distribution of concrete column(Joint 1)

图9 柱内钢筋应力分布(节点1)Fig．9 Stress distribution of the reinforcement(Joint 1)

图10 预埋钢骨锚筋应力分布(节点1)Fig．10 Stress distribution of the embedded reinforced bars(Joint 1)

节点1内梁柱的应力分布表明:整个节点处于弹性，具有较大的安全储备，最大应力发生在挑梁与柱连接处，设计时应予以足够重视。

4．2 节点2有限元分析

对于钢梁和混凝土柱的连接，施工中较常见的是钢梁与柱内预埋件焊接连接(即节点2)，本节主要研究此种节点是否适合大悬挑钢结构雨篷结构连接形式。同样，在ABAQUS中建立节点2的有限元模型，考虑到挑梁和主梁分别也与柱内预埋件焊接，可认为主梁和挑梁的受力相互独立，故在有限元模型中，只建立柱和挑梁的节点，如图11所示。在挑梁上施加相同的线荷载(q=9 kN/m)，挑梁应力分布如图12所示，最大应力90 MPa同样发生在节点处，几乎是节点1的3倍;而且，在柱内预埋件附近产生较大的拉应力2．2 MPa和塑性应变(图13)，该拉应力大于混凝土的抗拉强度(2．0 MPa)，混凝土将发生受拉破坏，导致预埋件被拉出，破坏形态如图14所示;柱内纵筋和箍筋也承受较大的拉力(图15)，箍筋受力大小是节点1的5倍。预埋加劲锚筋受力较大(图16)，其拉力达到250 MPa，节点可能会因为锚筋的屈服而进一步发生破坏。

通过两个节点有限元模型的对比分析，可见钢梁与混凝土柱通过表面预埋件连接，会在节点处发生混凝土的受拉破坏，导致预埋件被撕裂;通过主梁贯穿混凝土柱，挑梁与主梁连接，可有效加强节点的受力性能，整个节点处于弹性，具有较大的安全储备。

图11 节点2的有限元模型Fig．11 Finite element model of Joint 2

图12 挑梁应力分布(节点2)Fig．12 Stress distribution of cantilever beam(Joint 2)

图13 混凝土柱沿挑梁方向应力和应变(节点2)Fig．13 Stress and strain distribution of the concrete column(Joint 2)

图14 柱内预埋件撕裂变形Fig．14 Damage of the embedded steel plate

图15 柱内钢筋应力分布(节点2)Fig．15 Stress distribution of the embedded reinforced bars(Joint 2)

图16 预埋钢骨锚筋应力分布(节点2)Fig．16 Stress distribution of the embedded reinforced bars(Joint 2)

5 结论

本文针对具体工程实例，研究了大悬挑钢结构拱形雨篷关键梁柱节点的受力性能，得到如下结论:

(1)对于钢梁与混凝土柱表面预埋件连接节点，节点处易发生混凝土的受拉破坏，从而导致预埋件的撕裂，节点发生脆性破坏。

(2)通过将主梁贯穿钢筋混凝土柱，挑梁焊接在主梁侧面上，同时在柱内预埋钢骨，可有效提高雨篷节点的受力性能，使节点处于弹性状态，提高安全储备。

(3)对于大悬挑钢结构雨篷设计，挑梁的抗倾覆性能尤为重要，其中薄弱环节为挑梁与柱的连接节点，应通过构造措施加强节点设计。

(4)施工过程中如何保证节点处钢管主梁内混凝土浇灌密实尤为重要。应确保该处柱、贯通钢管主梁融为一体，使其共同受力，只有这样，该处节点设计才能做到真正的安全、可靠。

［1］ 贾远林．某曲棍球基地看台罩篷钢结构设计与分析［J］．结构工程师，2013，29(3):54-58．Jia Yuanlin．Design and analysis on the steel-awning of a hockey base sport stadium［J］．Structural Engineers，2013，28(6):14-18．(in Chinese)

［2］ 杨晖柱，丁洁民，杨宗林．某体育场大跨度挑篷钢结构的弹塑性分析与设计［J］．结构工程师，2006，22(3):1-6．Yang Huizhe，Ding Jieming，Yang Zonglin．Elastoplastic analysis and design of a large-overhanging stadium awning steel structure［J］．Structural Engineers，2006，22(3):1-6．(in Chinese)

［3］ 杜刚．北京南站雨篷新型结构体系受力分析［J］．建筑结构，2011，41(s1):747-751．Du Gang．Press analysis of the new structure system in Beijing South Station Canopy［J］．Building Structure，2011，41(s1):747-751．(in Chinese)

［4］ 陈显文，谭宁平，肖亮．钢结构玻璃雨蓬的简明设计［J］．江苏建筑，2012，147:54-56．Chen Xianwen，Tan Ningping，Xiao Liang．Design of a steel-frame's awning with glass's cover［J］．Jiangsu Building，2012，147:54-56．(in Chinese)

［5］ 周荣．高帆大厦大悬臂雨篷设计选型及钢结构计算［J］．建筑施工，2008，30(7):553-554．Zhou Rong．Design selection of large cantilever canopy and steel structure calculation for Gaofan tower［J］．Building Construction，2008，30(7):553-554．(in Chinese)

［6］ 朱亮．安徽省地质博物馆结构设计［J］．结构工程师，2013，29(3):23-28．Zhu Liang．Structural design of the Anhui geological museum［J］．Structural Engineers，2013，29(3):23-28．(in Chinese)

［7］ 高茂远，李健，罗永峰．异型钢结构整体稳定性分析［J］．结构工程师，2013，28(6):14-18．Gao Maoyuan，Li Jian，Luo Yongfeng．Stability analysis of a peculiar steel structure［J］．Structural Engineers，2013，28(6):14-18．(in Chinese)

［8］ 赵平，周文胜．广州新机场航站楼雨篷钢结构施工技术［J］．施工技术，2005，34(10):24-25．Zhao Ping，Zhou Wensheng．Construction technology for steel penthouse of new Guangzhou airport main building［J］．Construction Technology，2005，34(10):24-25．(in Chinese)

［9］ 雷阳．宁夏亘元国际中心大厦超大雨篷结构设计与研究［J］．建筑结构，2013，43(s2):350-353．Lei Yang．Structural design and research of super big awning of Ningxia Genyuan international centre building［J］．Building Structure，2013，43(s2):350-353．(in Chinese)

［10］ 黄鹏，顾明．一大跨度悬挑雨篷的风荷载及开洞比较［J］．结构工程师，2004，20(4):51-55．Huang Peng，Gu Ming．Experiental study and comparison analysis on wind load of a large span cantilever roof［J］．Structural Engineers，2004，20(4):51-55．(in Chinese)

［11］ 中华人民共和国住房和城乡建设部．GB 50009－2012建筑结构荷载规范［S］．北京:中国建筑工业出版社，2012．Ministry of Housing and Urban-Rural Devetopment of the people’s Republic of China．GB50009 － 2012 Load code for the design of building structares［S］．Beijing:China Architecture and Building Press，2012．(in Chinese)