浅析大悬挑雨篷钢结构及其连接设计要点

孙晓静

北京中信渤海铝幕墙装饰工程有限公司 北京 100125

1 雨篷计算模型介绍

该雨篷宽约6m，外挑约14.4m，面板为点支撑玻璃（HS12+1.9PVB+ HS12），雨篷主受力结构由直径323.9mm和355.6mm的钢管及直径为22mm的不锈钢拉索组成，钢管间坡口焊接，拉索与钢管之间通过销轴连接，拉索、钢结构通过锚栓与主体结构连接。雨篷平面如图1所示。

图1 雨篷结构平面图

雨篷悬挑钢结构与主体的连接视为铰接，钢管间视为刚接，拉索与钢管间视为铰接。支撑雨篷悬挑结构的水平钢管与主体结构的连接亦视为铰接，并释放水平方向剪力。SAP2000中的结构计算模型如图2所示，蓝色为直径323.9mm钢管，橘色为直径355.6mm钢管，绿色为直径22mm不锈钢拉索。

图2 雨篷在SAP2000中的计算模型

2 雨篷主受力结构分析[1][5]

根据该工程对结构性能的要求，荷载取值如下：重力荷载[6]0.65kPa，水平方向地震荷载[4]0.26 kPa，竖直向下正向风荷载[7]1.06 kPa，竖直向上负向风荷载[7]1.26 kPa；竖直向下均布活荷载[6]0.58 kPa。由于面板是点支撑玻璃，各驳接爪件平均分担相应分格尺寸玻璃面板的面荷载，并以集中荷载的形式传递至钢龙骨上。同时考虑1.1kN的维修荷载[2]，作用于钢结构最不利位置。以上荷载均为标准值。拉索预应力值为其破断力的7.5%，在SAP2000中通过施加0.8‰的应变来实现。

雨篷是悬挑结构，最大变形出现在悬挑结构端部[3]。由于悬挑结构除了根部连接外，还搭落在一根水平钢管上面，因此其变形值取为水平管支撑位置到端部的相对挠度。以1.0自重荷载下的挠度取值为例（图3），端部竖向变形为7.6mm，水平管支撑处竖向变形为1.5mm，悬挑结构的最大变形为7.45mm-1.53mm=5.92mm。不同荷载组合下挠度变形值如表1所示。由计算结果可见，最不利荷载组合为1.0D+1.0Wp（正风压），最大变形值为22.3mm。 本工程要求挠度限值为悬挑长度的1/240，该雨篷挠度限值为8117mm/240=33.8mm，最大变形值小于挠度限值，满足功能性要求。

图3 1.0自重荷载下的竖向变形值

表1 不同荷载工况下的结构最大变形值

1.0自重+1.0活荷载14.2 1.0自重+1.0维修荷载4.9 1.0自重+1.0侧向地震荷载7.3

不同荷载工况下钢管的最大应力值如表2所示，各工况下钢结构的最大应力值为146.73MPa，小于12.7mm厚钢材的抗拉压弯强度设计值215MPa[1]，该钢结构满足强度设计要求。

表2 不同荷载工况下的结构最大应力值

从挠度变形和强度校核的结果来看，该雨篷钢结构受挠度控制。因此在设计过程中，满足外观要求的情况下，一方面应尽可能增大截面尺寸，减小截面厚度，提高截面惯性矩，另一方面增大雨篷生根点的刚度，以此来实现钢结构整体小变形的目的。

3 雨篷连接节点分析

受幕墙完成面的限制，支撑雨篷悬挑结构的水平钢管（直径355.6mm圆形钢管）是通过一个长度约1m的特制钢连接件与混凝土柱连接。该连接件是从混凝土柱表面挑出约1m长的截面尺寸为250x16mm的方钢管，并在其根部每个面靠近翼缘位置各设置两道加劲肋，以提高支撑刚度，降低根部的扭转。连接件根部采用8根加长化学锚栓连接至混凝土结构。方钢管前端设有25mm厚的连接耳板，耳板前端设有直径为88mm的圆孔，耳板通过一个直径50mm的不锈钢销轴与水平钢方管连接。销轴四周预留的较大间隙可用于适应钢结构受温度影响产生的伸缩量以及安装时的工程偏差，因此销轴轴向受拉，不受剪力作用。此连接件在加工厂完成加工，可保证加工精度及焊接质量。

由SAP2000的计算结果中读取最不利荷载组合下的反力结果，通过Workbench来校核连接节点的变形及强度。连接节点的workbench计算模型，如图4所示，图中A表示作用于耳板上的反力（Force），由SAP2000计算得出，数值为39.67kN，方向竖直向下；B表示锚栓的约束形式（Displacement），按照铰接处理。

图4 连接节点计算模型

连接节点最大变形为0.076mm，位于耳板端部，远小于连接件变形需小于1mm的要求。方钢管根部的加劲肋对控制连接件的变形起到了关键性的作用。

连接节点的最大应力值为159.45MPa，出现在耳板加劲肋连接处。16～40mm厚的Q235钢板的抗拉压弯强度设计值为205MPa[1]，最大应力值小于该限值，满足承载力极限状态的要求。从workbench计算模型中，亦可读取锚栓群的反力，用于进一步校核连接锚栓。

4 总结

该雨篷悬挑跨度较大，拉索间歇性参与工作，设计简洁经济，焊接质量容易保障，安全性高。在连接节点的处理上，在保证连接节点的刚度的同时，又能做到“收放自如”，很好的适应结构的变形。

有限元软件的迅速发展，为复杂的结构分析带来了契机。有限元模型可基本还原实际受力模型，避免了手工计算时模型简化导致的计算误差，使设计更加安全、经济、合理。