大跨度悬挑钢雨篷结构稳定性有限元分析

胡世飞，雷学玲，代跃强，罗津津，李倩倩

(中建六局建设发展有限公司 天津300451)

0 引 言

现代大型城市综合体建筑物中，钢结构雨篷往往成为建筑物出入口部位必不可少的构件。随着我国钢材产量的逐渐增加以及钢材结构性能的不断提升，设计师对于现代建筑美感的要求也逐渐得到满足。作为一种自重小、抗震性、抗倾覆能力比较强的建筑物构件，钢结构雨篷能够适应各种设计需求[1]。在实际工程中对于跨度较大以及悬挑长度较长的雨篷结构，通常情况下会采用悬臂钢梁与斜拉杆结合的方式，该设计方案可以有效减少受力钢梁的截面积，确保结构安全[2]。但是，由于跨度较大加上现阶段设计、施工的局限，对于大跨度异形钢结构雨篷的结构稳定性无法完全把控，导致钢结构安装完成之后结构变形较大最终导致后续施工无法进行，结构安全性难以得到有效保证[3]。

本文通过分析某城市综合体项目大跨度异形钢雨篷的结构稳定性以及节点受力情况，获得该设计方案的最佳结构形式，为今后相关工程的设计施工提供借鉴。

1 工程概况

该城市综合体项目位于江苏省，总建筑面积约52万m2，地上由7栋塔楼、1栋4层商业裙房组成，地下为2层车库。工程抗震设防烈度为7度，整体抗震等级为二级，局部抗震等级为一级，主楼为框架-核心筒结构体系，裙房为钢筋混凝土框架结构，局部为钢结构。其中商业裙房部位 1～4层层高分别为：5.4、4.8、4.8、4.85m。裙房中庭部位为采光钢结构屋顶，钢结构最大跨度36m。

2 大跨度悬挑钢雨篷

该项目商业裙房设有多个门厅，其中最大的出口部位设置了一个带有斜拉杆的悬挑钢雨篷。为了满足建筑美观要求，与钢雨篷主钢梁相连接的钢筋混凝土柱向西南方向倾斜，雨篷悬挑梁方向与该门厅混凝土结构倾斜方向一致(图1)。钢雨篷主梁(GL1)为H900×300×16×25型钢，经预埋件与斜柱相连，总跨度 17.4m；雨篷悬挑钢梁(GL2、GL3)为 H900×(300～200)×14×20型钢，钢梁长度为 7.2m，与建筑立面成 63.43°夹角，固定端与主梁铆接，上部由斜拉杆(φ7.3×8.0无缝钢管)与主体 3层结构梁内预埋件连接。所有钢材强度等级均为Q345。

图1 钢雨篷结构平面图Fig.1 Steel awning structure plan

钢结构雨篷主梁通过预埋件与混凝土斜柱连接，该斜柱从一层开始向东南方向倾斜，一直到顶层，为直径600mm的圆柱，其一、二层混凝土强度为C45，三、四层混凝土强度为 C35，纵筋 20C25，箍筋为C10@100。两根混凝土斜柱之间的二层结构梁尺寸为 500mm×1200mm，梁顶钢筋为 4C25，梁底钢筋为 5C25，箍筋为 C10@100/200(4)，混凝土强度为C35；与钢结构雨篷斜拉杆相连接的三层结构梁尺寸为 500mm×1200mm，梁顶钢筋为 4C25，梁底钢筋为 8C25，箍筋为 C10@100/200(4)，混凝土强度为C35，内设与钢雨篷斜拉杆相连接的预埋件(图2)。

2.1 钢雨篷主梁与混凝土斜柱连接

钢雨篷主梁腹板通过斜柱的预埋件与混凝土柱连接。钢雨篷主梁跨度 17.4m，安装时首先将连接钢板与斜柱内埋设的预埋件焊接，之后利用螺栓将连接板与钢雨篷主梁腹板进行连接，并将主梁翼缘与柱内预埋件板焊接补强，以减小主钢梁的结构变形。详见图3、图4。

2.2 钢雨篷主梁与次梁间连接设计

钢雨篷次梁(GL2、GL3)与主梁(GL1)肋板采用螺栓锚固连接，主梁肋板间距为 2.25m，与主梁腹板夹角为63.43°。次梁之间设置横向钢梁以确保整体稳定性，具体见图1，其中 GL5为 H250×125×10×14的 H型钢，GL4为 H300×150×6.5×9的窄翼型 H型钢。型钢之间均采用螺栓连接。

图2 钢雨篷结构剖面图Fig.2 Steel awning structure section

图3 柱内埋件详图Fig.3 Detail of embedded parts in column

图4 连接钢板及节点详图Fig.4 Connecting steel plate and joint details

3 有限元分析

本节利用 ABAQUS有限元软件，对钢雨篷进行局部构件、节点和整体建模，通过对钢雨篷的主梁、次梁以及相关节点的有限元分析，探讨该钢雨篷的变形及稳定性。同时结合钢雨篷的变形及力学性能探求该设计方案下最佳的构件形式，为将来类似设计、施工提供参考。

3.1 钢雨篷次梁变形分析

为了研究钢雨篷次梁的受力性能，建立有限元模型如图5所示。在软件中选取该雨篷中的 GL2进行分析研究，为了分析简便，软件中斜拉杆采用线单元模型，且单纯研究次梁的承载能力，不考虑GL1变形的影响，GL2与 GL1连接部位采用固定边界。考虑钢雨篷实际受力情况，根据相关设计规范，对该钢雨篷所受到的风荷载、恒活荷载进行综合考虑，计算可得雨篷的设计荷载为3.2kN/m2。

图5 GL2有限元模型Fig.5 Finite element model of GL2

通过有限元分析，GL2的Mises应力分布如图6所示，GL2的变形云图如图7所示。该钢梁的最大变形值为 1.812mm，位于钢梁顶端，该变形值符合设计规范要求。

图6 GL2受力云图Fig.6 Stress cloud diagram of GL2

图7 GL2变形云图Fig.7 Deformation cloud diagram of GL2

以上分析表明：在不考虑 GL1影响的情况下该钢雨篷次梁完全能够承担所受荷载，其结构变形符合规范要求，且有足够的安全储备。

3.2 主梁拟采用普通型钢(GL1)的结构稳定性分析

设计初期，方案中拟采用 H900×300×16×25的型钢作为整个大跨度悬挑钢雨篷的主梁，该主梁上未加其他附属肋板，主梁GL1为雨篷主要受力构件，根据以往经验，雨篷主梁 GL1的结构变形将直接影响整个钢雨篷的稳定性。为了获得 GL1的最佳结构形式，同时探讨 GL1对钢雨篷整体稳定性的重要影响，通过对钢雨篷整体模型的受力仿真模拟得到受力云图及变形云图。

由图8、图9可以看出，该钢雨篷主梁GL1的纵向变形值为-4.5mm，变形值符合设计要求，GL1对整个结构的纵向力承载能力较强。该设计结果需要进一步的深化，通过改变结构形式，增强结构主梁GL1的刚度，以减小钢梁挠度确保结构的稳定性，同时需要进一步改变钢雨篷整体结构形式以保证结构的整体稳定性。

图8 初步设计方案GL1纵向变形Fig.8 Longitudinal deformation of GL1 in preliminary design scheme

图9 初步设计方案GL1整体变形Fig.9 Overall deformation of GL1 in preliminary design scheme

3.3 不同钢雨篷主梁对结构变形影响分析

图10 原设计方案主梁模型(GL1)Fig.10 Main beam model in original design(GL1)

图11 GL1-1模型Fig.11 Model of GL1-1

图12 GL1-2模型Fig.12 Model of GL1-2

图13 GL1-3模型Fig.13 Model of GL1-3

图14 GL1-4模型Fig.14 Model of GL1-4

验证次梁 GL2的承载能力符合要求之后，在设计阶段提出了不同的主梁结构形式，通过对比不同结构形式主梁的数值模拟结果，探讨主梁结构形式对该钢雨篷结构整体稳定性的影响。对于不同结构形式优化后的主梁分别编号为 GL1-1、GL1-2、GL1-3、GL1-4。数值模拟软件中的三维建模模型如图10—图14所示。

通过对不同结构的主梁进行数值模拟得到云图，从图15—图19钢雨篷的应力云图所得到的结果可以看出，主梁结构形式不同钢雨篷的受力也不同。从GL1至 GL1-4钢雨篷的内部最大应力值逐渐减小，由 542.2MPa减为 110.2MPa，最终结果小于 Q345钢材的屈服强度并且持有一定的安全系数，可以满足规范要求以及结构正常使用要求。

图15 主梁为GL1钢雨篷应力云图Fig.15 Stress cloud diagram of steel awning with main beam of GL1

图16 主梁为GL1-1钢雨篷应力云图Fig.16 Stress cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-1

图17 主梁为GL1-2钢雨篷应力云图Fig.17 Stress cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-2

图18 主梁为GL1-3钢雨篷应力云图Fig.18 Stress cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-3

图19 主梁为GL1-4钢雨篷应力云图Fig.19 Stress cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-4

由图15—图19可以得出GL1至GL1-4结构形式下钢雨篷的最大应力曲线如图20所示。

图20 不同主梁结构形式下雨篷最大Mises应力曲线Fig.20 Maximum Mises stress curve of awning with different main beam structures

通过最大应力曲线可以看出，随着结构形式的不断优化，钢雨篷结构内力值不断减小，雨篷自身结构受力形式趋于合理。应力曲线也表明，在主梁上增加水平方向的通长肋板可以有效改善结构整体的受力形式，降低结构内力，保证钢雨篷结构构件处于材料屈服强度以内，保持自身稳定性。

同时，随着主梁结构形式的改变，钢雨篷整体位移变形值也逐渐减小，GL1由于抗扭性能较差，且结构挠度较大，导致次梁GL2的两端挠度增加，最大变形值为 39.93mm，无法满足正常使用要求。随着GL1-1到 GL1-4结构的不断优化，逐渐增加了主梁的刚度，减小了主梁挠度值，最终以 GL1-4为主梁的钢雨篷其次梁 GL2的最大变形值为 10.96mm，位于悬挑梁顶端，该数值既满足规范要求，也满足后期施工要求。

由图21—图25可以得出GL1至GL1-4结构形式下钢雨篷的最大应力曲线如图26所示。

图21 主梁为GL1钢雨篷变形云图Fig.21 Deformation cloud diagram of steel awning with main beam of GL1

图22 主梁为GL1-1钢雨篷变形云图Fig.22 Deformation cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-1

图23 主梁为GL1-2钢雨篷变形云图Fig.23 Deformation cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-2

图24 主梁为GL1-3钢雨篷变形云图Fig.24 Deformation cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-3

图25 主梁为GL1-4钢雨篷变形云图Fig.25 Deformation cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-4

图26 不同主梁结构形式雨篷最大变形曲线Fig.26 Maximum deformation curve of awning with different main beam structures

图26的曲线表明，优化主梁结构形式：在主梁背后增加通长的肋板(GL1-1)，有助于减小钢雨篷的最大变形值；进一步增加主梁背后肋板的数量(GL1-2)，钢雨篷的最大变形值明显下降；通过调整主梁背后肋板的位置(GL1-3)，同样有助于主梁抵抗水平向的变形，从而降低雨篷结构的最大变形；当在主梁结构增加通长肋板的基础上增加通长的背板后(GL1-4)，雨篷结构的最大变形值出现陡降，并最终符合设计规范要求。由此可见，对于大跨度悬挑钢雨篷，其结构变形主要受主梁结构刚度的影响，改变主梁结构形式，增大主梁的刚度有助于减小结构位移变形。雨篷主梁结构后加通长肋板并在肋板上增加通长背板的结构形式受力合理，雨篷结构整体安全可靠。

综上所述，优化后的 GL1-4结构形式最为理想，该结构形式可以满足设计规范要求。

4 结 论

①通过利用ABAQUS有限元分析软件对大跨度异型悬挑钢结构雨篷进行数值模拟，可以准确模拟钢雨篷在复杂力学体系下的受力变形情况。通过对应力云图及变形云图的分析可以快速获取初步设计方案的结构可靠性，为后续的设计及施工提供有效参考。

②大跨度悬挑钢雨篷主梁的结构形式对其整体的稳定性起到至关重要的作用。单纯使用普通 H型钢无法保证大跨度钢雨篷结构的整体稳定性。

③通过在大跨度悬挑钢雨篷主梁背后增加水平向通长肋板可以有效增加主梁刚度，减小结构整体变形，同时改变主梁肋板的安放位置，对结构主梁的变形也有一定的影响，合理的水平通长肋板位置能够有效降低主梁水平方向的变形。

④采用通长的水平背向肋板加通长背板的形式可以有效提高雨篷主梁的刚度，从而显著提高雨篷的整体稳定性，此结构形式受力合理，安全可靠。