张宇杰 刘 伟
(大连海洋大学海洋与土木工程学院,辽宁 大连 116036)
该项目由若干相同结构形式的钢结构雨棚组成,每个雨棚由四榀相同的单悬挑钢刚架构成,刚架之间由垂直于刚架的钢梁连接,雨棚屋盖为坡屋面,材料采用钢化玻璃。每个雨棚的平面尺寸为9.0 m×22.8 m。结构平面布置图及钢刚架立面图如图1所示。项目设计使用年限为50年,建筑结构安全等级为二级,设计基本风压为0.30 kN/m2,地面粗糙类别为C类,由于自重较轻,风荷载起控制作用。
本项目结构构造看似简单,但结构分析中,存在以下难点:
1)本雨棚主体结构为大悬挑结构,正常使用极限状态时,梁端挠度受外荷载影响较大,不容易满足规范要求。为了减小自重作用下梁端挠度,在设计时要尽量减轻钢梁自重。雨棚屋面为坡屋面,所以当风向为梁端至梁根时,风荷载对屋盖施加的是压力,这时,在风荷载作用下,梁端挠度方向和自重作用下是一致的,挠度会进行叠加;而当风向为梁根至梁端时,风荷载对屋盖施加的是吸力,这时,风荷载作用下梁端挠度方向和自重作用下是相反的,会部分抵消。所以在风荷载作用下,钢梁自重可能是有利因素也可能是不利因素。为了解决这一难点,采取如下措施:钢梁截面选为变截面,以减轻钢梁自重,同时,在施工时,对钢梁采取预起拱的施工措施。
2)单榀悬挑刚架存在面外稳定的问题。为了解决这一问题,在垂直于钢刚架的方向增加纵向钢主梁,即为图1中GL4,纵向主梁与钢柱之间刚结。另外每隔一段距离间隔设置钢次梁,即为图1中GL3,钢次梁与钢梁之间的连接为铰接。通过纵向杆件的设置,各榀刚架连接为一个整体,保证了单悬挑刚架面外的稳定性。
3)悬挑梁受力最不利截面为悬挑根部,此处弯矩和剪力都最大,加上本项目悬挑尺寸较大,悬挑根部截面设计为一难点。为此,采取以下措施:a.在保证根部截面不减小的情况下,尽量减轻钢梁自重,将钢梁设计为变截面,梁端截面高度以能满足次梁连接为限度;b.在悬挑梁的根部加腋,此措施不仅可以加大根部截面高度,还可以在一定程度上减少应力集中。采取加腋构造后,根部结点构造见图2。
本项目采用有限元软件SAP2000计算,并使用软件的设计功能对构件进行详细设计。在正常使用极限状态时,梁端挠度起控制作用,采用表1荷载组合;在承载能力极限状态时,柱子的稳定性及梁端应力比起控制作用,采用表2荷载组合。表中:D代表恒载,L代表活载,W1代表风向为梁端至梁根,W2代表风向为梁根至梁端。风荷载以面荷载形式施加到屋盖表面,风荷载计算时,体型系数根据《建筑结构荷载规范》[1]表8.3.1第29项采用。
表1 正常使用极限状态荷载组合
表2 承载能力极限状态荷载组合
在正常使用极限状态下,组合4对应的梁端挠度起控制作用,为了减小这一挠度,按本文第2小节采取加强措施减小主梁梁端挠度。采取措施后,对应的梁端最大挠度为70 mm,方向垂直向下。根据《钢结构设计标准》附录B中关于受弯构件挠度容许值的规定:按纯悬挑长度计算的主梁梁端挠度限值为85 mm[2],计算值符合规范要求。挠度示意图如图3所示。
在承载能力极限状态下,组合6对应悬臂梁梁根内力起控制作用,按本文第2小节采取加强措施后,强度和稳定性验算均满足要求,钢梁对应的最大应力比为0.578,钢柱对应最大应力比为0.381,均有较大富余。应力比图如图4所示。
由以上分析,可得到以下结论:
1)对于此类坡屋面钢结构雨棚,由于通常采用玻璃顶盖,且屋面无其他覆盖,屋面体系自重较轻。当屋面面积较大时,要特别注意风荷载作用下的验算,风荷载通常起控制作用。
2)在钢结构体系中,当钢柱较高且面外连接薄弱时,需要特别关注构件的整体稳定。
3)钢结构设计中,要通过计算和分析找出最薄弱受力截面,此截面同时要关注应力集中问题,除了计算之外,要采取适当的构造措施来保证安全。
同时,此类项目设计时还建议特别注意以下两点:
1)由于钢构件长度截面都比较大,为了便于运输,实际施工时会将各构件进行分段,构件分段的切口要避开主要受力部位一定的距离。
2)对于单悬挑结构,在基础设计时,要特别考虑基础倾覆是否满足要求。