超长悬挑雨蓬设计探讨

王 健 南京城镇建筑咨询有限公司高级工程师

李 国 南京城镇建筑咨询有限公司初级工程师

1 引言

目前较为常见的钢结构雨篷类型为钢结构玻璃雨篷，主龙骨架以钢结构为主，顶部为钢化玻璃或夹胶安全玻璃。由于建筑物的外观要求和使用需要，雨篷的尺寸不断增大[1]。钢结构雨篷具有自重轻、强度高的优势，成品质量好控制、维护装拆方便、资源可回收、施工周期短，在现代建筑工程中应用广泛[2]。

2 超长悬挑雨篷工程案例

位于南京江北的某商业项目，地上4层，地下1 层，主体为框架结构，抗震设防烈度为7 度，抗震等级为2 级，主入口设大型雨篷，雨篷长23.7 m，宽23.5 m，最大悬挑18 m，平面呈扇形，离地高度约23 m。

3 两种设计模型简介

3.1 后伸双向密肋悬挑梁模型

方案一为后伸双向密肋悬挑梁雨篷，主梁GL1 为H1200×400 型钢，与型钢柱内钢骨及型钢梁连接，节点形式为刚接，雨篷次梁GL2、GL3 为H700×300 型钢，与屋面层混凝土梁内预埋件连接，节点形式为铰接，其余钢梁连接形式为刚接。所有钢材强度等级均为Q355。

3.2 带空间组合斜拉杆模型

方案二为带空间组合斜拉杆结构，雨篷主梁GL1 为H700×300×13×24 型钢，与型钢柱内钢骨及型钢梁连接，节点形式为刚接，雨篷次梁GL2 为H450×200×9×14型钢，与屋面层混凝土梁内预埋件连接，节点形式为铰接，其余钢梁连接形式为刚接。所有钢材强度等级均为Q355。平面如图1 所示。立柱GZ1 为直径500、壁厚25 mm 圆钢管，圆钢管高度为4550 mm，在圆钢柱顶部和1/2 高度处设置钢梁GL4 为直径300、壁厚12 mm 圆钢管。钢雨篷与立柱顶端设拉杆LG1 为直径300、壁厚12 mm 圆钢管，另一侧设置拉杆LG2 为直径300、壁厚12 mm 圆钢管，一侧与屋顶混凝土梁相连，另一侧与圆钢柱顶部相连，在拉杆与雨篷梁连接处设置交叉斜撑GL3为直径300、壁厚12 mm 圆钢管，与相邻钢梁连接均为铰接，如图1 所示。

图1 钢雨蓬斜拉杆布置图（方案二）

4 计算分析对比

为研究雨篷受力性能，建立结构模型对雨篷进行单独分析，四榀主钢梁与支座连接为刚接，其余钢梁与混凝土构件连接均为铰接。考虑到雨篷实际受力情况，根据相关设计规范，对该雨篷收到的恒载、活载、风荷载以及雪荷载进行综合分析考虑。

经计算，方案一钢材用量为71.2 吨，钢梁最大应力比0.70，应力分布主要集中在四榀主钢梁支座附近，其余部位钢梁应力分布较小。空间最大位移65.1 mm，位于A ～B 轴之间的次梁顶端，该变形值符合设计规范要求，且具备足够的安全储备。

方案二的钢材用量为52.0 吨，钢梁最大应力比0.41，斜拉杆最大应力比0.22，应力分布主要集中在四榀主钢梁支座附近及斜拉杆与钢雨篷连接点附近，其余部位钢梁及斜拉杆应力分布较为均匀。空间最大位移41.2 mm，位于B 轴主钢梁顶端，该变形值符合设计规范要求，且具备足够的安全储备（表1）。

表1 对比分析表

5 方案二优化设计

影响方案二的因素众多，如拉杆布置在雨篷一侧与拉杆在立柱前后两侧布置、拉杆与雨篷相钢梁连接的位置、拉杆与雨篷连接点附近是否布置斜撑等都会影响雨篷整体受力性能，具体分析过程如下：

拉杆仅布置在雨篷一侧，其他杆件均与方案二相同。钢梁最大应力比1.73，斜拉杆最大应力比0.09，应力分布主要集中在四榀主钢梁支座附近，空间最大位移209.1 mm，位于A ～B 轴之间的次梁顶端，该变形值不符合设计规范要求，圆钢柱对雨篷的约束较弱，同时由于雨篷悬挑距离较长，自身变形程度大，通过拉杆也会使圆钢柱产生较大变形。

通过荷载简图及弯矩图（图2），研究拉杆与雨篷连接的最合理位置。

图2 荷载简图及弯矩图图

根据荷载简图可知，M1=1/2 qL12、M2=M1=1/8 qL22-1/4 qL12，若杆件应力最小，则结构所受弯矩最小（弯矩绝对值），即M1=M2，解得L1/L2=1/ ，L1/L ≈3/10。如图3 所示，结合实际情况，拉杆和雨篷的交点在3/10 附近的钢梁交点即为最合理布置点。

图3 支座最优位置图

拉杆与雨篷连接节点周围不设置斜撑，其他杆件均与方案二相同。钢梁最大应力比0.456，斜拉杆最大应力比0.208，应力分布主要集中在四榀主钢梁支座附近及斜拉杆与钢雨篷连接点附近，其余部位钢梁及斜拉杆应力分布较为均匀。空间最大位移44.3 mm，位于B 轴主钢梁顶端，该变形值符合设计规范要求，与方案二相比，斜拉杆与钢雨篷连接点附近钢梁的应力均有所增加。

6 结论

通过两种方案分析可以看出，方案二应力分布更为均匀，钢梁的应力较小，由于空间斜拉杆的作用，有效改善了结构受力形式，保证结构处于屈服强度内，且有足够的安全储备。

影响空间斜拉杆的因素较多，主要包括：（1）斜拉杆的布置。斜拉杆若仅在钢雨篷一侧布置，则柱脚在混凝土梁上的连接为非理想刚接，会导致圆钢柱对雨篷的约束较小，起不到控制挠度的作用。（2）斜拉杆的布置角度影响着结构的受力合理性。一端悬挑单跨简支，支座设置使悬挑梁长度为3/10 梁总长时最为合理。（3）钢拉杆选型。拉杆截面较小，拉杆易产生较大轴向变形，对雨篷挠度控制无效果；拉杆截面较大，一方面会造成浪费，另一方面会影响观感，所以要确保拉杆具有一定抗拉刚度。（4）拉杆还需要具有一定的抗压刚度。当向上的风压大于结构与装饰构件自重之和时，此时钢拉杆受压，确保在压力作用下，钢拉杆没有变形的可能，同时也要保证钢雨篷在负风压作用下无较大变形，确保雨篷上的非结构构件不被破坏。（5）在钢拉杆与雨篷连接节点周围设置斜撑。由于钢拉杆竖直投影线与钢梁未在同一直线上，增加此斜撑能将拉杆的力更均匀的传递到周围的钢梁，除此之外，斜撑也能增加钢雨篷平面的刚度。（6）斜拉杆的布置。将钢雨篷两端背面的两根斜拉杆呈一定角度布置，能够有效抵抗因地震作用产生的水平力，保证结构在地震作用下的稳定性。