大跨悬挑屋面的设计与研究

张承林

安徽富煌建筑设计研究有限公司 安徽 合肥 230088

引言

基于大跨悬挑结构具有造型美观、轻巧、占用空间少的特点，常被建筑师使用。但是由于大跨悬挑结构的复杂性，因此需要利用有限元软件进行受力分析，且需要建立整体模型。同时分析悬挑结构时需考虑正负风压，分析风荷载下的上下振动幅度。

1 工程概况

某办公楼屋顶上方有一钢结构屋面，效果图如图1所示，平面尺寸为45.3m×36.3m，檐口标高为20.800～24.600m，屋面中心最大标高为21.900m，如图2所示。钢屋面设计合理使用年限为50年，结构安全等级为二级，结构重要性系数1.0，建筑抗震设防分类为丙类。抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为一组，建筑场地类别为II类[1]。荷载标准值：主体结构自重由软件自行计算；屋面附加恒载为1.0 kN/m2，包括檩条、屋面板、光伏。活荷载标准值：屋面活荷载0.5kN/m2，施工或检修集中荷载（人和小工具的自重）取1.0kN（按在最不利位置处进行验算）。基本雪压为100年0.70kN/m2，基本风压为100年0.4kN/m2，地面粗糙度为B类。

图1 效果图

图2 平面图

2 方案选取

为了较好地实现建筑外观，结构提出两种结构方案。

方案一：采用桁架结构。除钢柱外，均采用平面桁架结构，桁架梁高度根据建筑高度变化，如图3所示。

图3 方案一

方案二；梁、柱均采用矩形管构件，构件高度根据建筑高度变化，如图4所示。

图4 方案二

经在同荷载条件下计算对比分析，屋面采用桁架梁的方案单位用钢量少，但是为了实现建筑造型要求，需要外包铝板，成本大幅提高，同时加工制作时间较矩形梁柱方案长。最终经业主及建筑方案确定，采用方案二。方案数据对比结果如表1所示。

表1 方案对比

3 设计分析

3.1 荷载布置

恒荷载、活荷载按照均布布置，雪荷载根据屋面的凹凸情况考虑不均分布如图5所示，根据荷载规范，在檐口悬挑区域应加大风荷载的体形系数，风在悬挑端区域考虑±2的体型系数如图6所示。

图5 2倍积雪分布图

图6 悬挑区域风荷载图

3.2 结构布置

结构布置如图7所示。

图7 结构布置图

变截面D型柱截面外轮廓尺寸为600mm×600mm至600mm×1225mm，壁厚为20mm。四周边梁采用变截面D型梁，梁截面为D600×600×16×16至D1350×600×20×24；中间十字梁截面为矩形1100×500×18×20（18为腹板）。由于截面尺寸较大，矩形管腹板较高，故除D型柱和十字梁采用Q355B材质外，其余均采用Q235B，在满足构造要求的同时尽量减小腹板厚度。D型柱和楼层之间采用人字水平支撑，支撑同主体混凝土结构之间采用销轴连接，如图8所示，销轴满足计算及技术标准要求[2]。采用该节点后，D型柱对结构主体只传递水平力和剪力，降低了对主体结构的影响；连接板埋件采用对穿锚筋，安全可靠性高。

图8 楼层处销轴节点

3.3 结果分析

3.3.1 风荷载下的变形分析。屋顶为轻钢结构，因此对风荷载较为敏感；同时边梁悬挑22.6m，屋面从建筑主体墙体外挑4.5m，属于大跨悬挑结构，因此风荷载的设计尤为重要。计算分析时考虑X、Y两个方向风荷载，悬挑区域的风吸、风压体形系数分别采用-2和+2。悬挑端在风荷载下的变形值如表2所示。变形值均满足规范要求[3]。

表2 风荷载下悬挑端变形值

3.3.2 整体挠度变形分析。在恒+活组合下，竖向挠度变形如图9所示，Uz=-55mm，55/36300=1/660＜1/400。满足规范要求。

3.3.3 强度应力分析。在基本组合下，结构整体应力比如图10所示，应力比最大为0.84。D型柱柱顶，梁柱节点处的应力如图11所示，十字梁相交处的应力如图12所示。因梁柱节点处受力较大，多个杆件汇交于此，在D型柱梁柱节点区域采取加强措施，如图13所示。在十字梁交叉处，虽然强度应力不大，但此处相交杆件较多，也应适当加强。

图10 整体应力比

图11 D型柱柱顶应力

图12 十字梁交叉处应力

图13 D型柱梁柱节点处劲板

3.3.4 楼层处销轴节点计算。以某个楼层处销轴节点计算为例，对销轴进行计算分析，该节点楼层处节点反力如表3所示，销轴为铰接节点，无弯矩。耳板采用Q355B材质，销轴采用40Cr材质。根据支座反力，合成为垂直于销轴方向的合力为1100kN，按照设计规范[2]，进行连接板及销轴的抗压、抗剪计算，得出销轴直径为80mm。

表3 销轴支座处反力

4 结束语

本文通过某公建钢结构顶棚，对其整体、局部关键构件及节点进行了计算分析，得出以下结论。

雪荷载应根据屋面布置情况，考虑不均匀分布。悬挑区域对风荷载较为敏感，应进行风吸、风压两种计算，并满足受力及变形的要求。对关键节点区域应重点计算，并采取有效可靠的加强措施。