某大跨度钢结构雨蓬设计

2014-10-21袁建伟

建筑工程技术与设计 2014年35期

袁建伟

【摘要】某工程为观演类建筑，建筑师对雨篷的整体造型、构件形状尺寸、节点细部处理等提出了一系列要求，目的是使雨篷达到建筑结构的完全统一。配合建筑设计，结构设计进行了多方案比较，最终形成了圆管拱+异型截面梁的方案。本文就这一结构的受力特点和设计难点展开介绍。

【关键词】雨篷、拱结构、异型截面梁、节点设计

一、工程概况

图1 某工程总体效果图

某工程为观演类建筑，大门雨篷是进入主体结构的必经之路，也是观众对整个建筑近景第一印象形成的关键，所以建筑师对雨篷的整体造型、构件形状尺寸、节点细部处理等提出了一系列要求，目的是使雨篷既是结构又是建筑，即结构构件完全外露，除了雨篷的玻璃面板不带任何装饰，达到建筑结构的完全统一。

大门雨篷位于南侧，是整个建筑的主入口，外拱脚水平距离76.580m。下面就其结构布置特点、计算结果、构件验算、节点设计等问题展开介绍。

二、结构布置

雨篷结构布置如图2所示，沿一榀异型钢梁得到的结构剖面如图3所示，从以上两图图可以看到，雨篷结构由两片混凝土墙、5道圆钢管拱、异型截面梁、幕墙立挺以及4根室内钢柱组成。其中 G1（Φ102x5）作为异型截面梁悬挑端的封口构件，并不汇交到拱脚，仅起横向连系梁的作用，截面也较小。G2（Φ299x12）和G3（Φ402x16）向主体结构方向倾斜，拱脚汇交在一起。G4（Φ402x16）向室外倾斜，是室内外的分界线，面内设置幕墙立挺，立挺下部固定在地下室外墙，G5（Φ299x12）在竖直面内，与G4拱脚汇交在主体结构地下室外墙顶。G2、G3、G4和G5之间通过异型截面钢梁连接，组成互相平衡依托的稳定空间受力体系。G3通过若干竖向短柱将荷载效应传给下部的两片混凝土墙，进而传递给基础。室内由四根钢柱与顶部钢梁组成框架体系，支承室内异型钢梁及部分悬挑钢梁，其中北侧钢柱设置牛腿，支承相邻的部分混凝土结构重量。

图2 雨篷结构布置

图3 雨篷结构剖面

异型梁截面如图4所示，从G2到G5可以贯通的梁采用截面D，高度h根据建筑要求线性变化；仅连接G2和G3的异型梁采用截面E，高度h也呈线性变化，且每根异型梁高沿拱的方向也是变化的，从450mm到600mm不等，拱顶处截面高度最大，拱脚处最小。

所有构件材性均为Q345B。

图4 异型梁截面形式

三、整体模型分析

分析软件采用3D3S9.0，异型截面按照实际情况建模，变高度异型梁做分段处理。

1）荷载工况与组合

荷载考虑恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、温度荷载和地震作用等6个工况。其中风荷载考虑前风、后风、左风、右风四种情况。

荷载组合考虑如下情况：

（1） 1.35 恒载 + 1.40 x 0.70 活载

（2） 1.20 恒载 + 1.40 活载

（3） 1.20 恒载 + 1.40 风载

（4） 1.00 恒载 + 1.40 风载

（5） 1.20 恒载 + 1.10 温度荷载

（6） 1.00 恒载 + 1.10 温度荷载

（7） 1.20 恒载 + 1.40 活载+ 1.40 x 0.60 风载+ 1.10 x 0.70 温度荷载

（8） 1.20 恒载 + 1.40 x 0.70 活载+ 1.40 x 0.60 风载+ 1.10 温度荷载

（9） 1.20 恒载 + 1.40 x 0.70 活载+ 1.40 风载+ 1.10 x 0.70 温度荷载

（10） 1.00 恒载 + 1.40 风载+ 1.10 x 0.70 温度荷载

（11） 1.20 恒载 + 1.20 x 0.50 雪载 + 1.30 水平地震 + 1.30 x0.5 竖向地震

2）结构动力特性

动力特性是结构重量和刚度分布的宏观表现，可以明确结构在地震作用下的整体性或者暴露结构对地震作用敏感的薄弱部位。通过分析结构动力特性如下图所示。第1振型为室内部分的侧向平动，原因是，北侧柱牛腿承担了相对自身侧向刚度来说很大的竖向荷载。第2振型和第3振型为G2及其所连的异型钢梁上下振动，这说明由于G2是斜放的拱，竖向刚度被削弱，从受力上更接近一根曲梁，异型钢梁做为悬挑构件支承着G2，由此可见结构的竖向地震力不容忽视。第4振型为第1振型的高阶形式，之后的许多阶阵型均表现为第1和第2振型的高阶或组合形式。

第1振型，T1= 0.6330 第2振型，T2=0.5890

第3振型，T3=0.4445 第4振型，T4=0.4311

图5 雨篷结构动力特性

3）线性屈曲分析

在恒+风（风压力）作用下，结构线性屈曲特征值最低，第1阶屈曲特征值为17.3，第2阶屈曲特征值为19.9，可见线性结构稳定系数远高于网壳规范规定的稳定系数5。

第1屈曲模態第2屈曲模态

图6 线性屈曲模态

3）内力计算结果

G2、G4和G5内力主要是轴力，G2最大轴压力为831.6kN，出现在柱脚部位，G2出平面计算长度取第1阶线性屈曲模态的1/4波长，近似为15m，长细比为147，稳定应力比0.47。G4、G5平面内外均有支撑构件，基本是强度控制，G4最大轴压力为1550kN，应力比0.32，G5最大轴压力718kN0，应力比0.34。

G3受力较复杂，轴力、弯矩、剪力、扭矩均不可忽略，最大应力比为0.68。

4）位移计算结果

室内北侧柱顶最大水平位移为25 mm，最大容许位移为7648/300=25.5mm；拱3顶部水平位移23.7 mm，拱竖向矢高7808，按 H/300 控制，最大容许位移为7808/300=26.03mm，水平位移满足规范要求。

图7 发生最大柱顶位移时X向水平位移图图8 发生最大柱顶位移时Y向水平位移图

室外部分最大竖向挠度 93.4-12.9=80.5mm，悬臂跨度L=12696mm，挠跨比为1/315；室内部分主梁最大挠度20.1mm，跨度11583mm，挠跨比1/576；室内部分次梁最大挠度17mm，跨度16560mm，挠跨比1/974，竖向挠度满足规范要求。

图9 最大竖向位移图

四、构件设计

异型截面钢梁主要承受轴力和弯矩，且平面外长细比达到190，受弯构件整体稳定系数无法直接查规范得到。为此取出强度应力比最大的一根钢梁，建立简支梁模型，跨度9.5m，截面按图5截面D，其中截面参数hxt=500x8mm，假定承受竖向均布荷载10.5kN/m，按照梁单元平截面假定求得跨中截面最大应力为65.5MPa。

图10 简支梁第1阶屈曲模态图11 施加一致缺陷后的极限应力状态

采用单元shell143建立该简支梁的ANSYS模型，在以上荷载作用下，梁跨中最大应力为66.2MPa，与按梁单元计算的结果几乎一致。然后进行特征值屈曲分析，第1阶屈曲模态如图10所示，表现为梁面外屈曲，将第1阶屈曲模态作为初始缺陷施加到该简支梁，缺陷绝对值按梁跨度的1/750控制。最后进行考虑初始缺陷的双非线性极限承载力分析，在3.07倍设计荷载下，该梁达到承载力极限状态，此时Mises应力如图11所示。从图11可以看出，达到承载力极限状态是最大应力出现在端部腹板靠近下部圆管部位，属于腹板的局部屈曲。保守考虑，认为该状态即为该梁的承载力极限状态。

根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）式5.2.2-3有

（1）

式中表示1倍设计荷载是跨中弯矩，表示跨中截面抗弯模量。将极限应力状态带入上式得：

（2）

其中，所以。考虑到尚有其他不利因素未考虑在内，所以在设计中该梁受弯构件整体稳定系数取0.5。由此验算得到西雨篷异型截面梁最大应力比0.56，对比位移计算结果可知该梁为挠度控制而非应力控制。

五、节点分析

前文提到，部分异型截面梁仅连接G2和G3，在G3内侧没有相应构件平衡，该梁的工作状态更像一根悬臂梁，所以对根部节点区的刚度有很高要求，但根据建筑设计，异型截面梁只有下部圆管相贯于G3，上翼缘无法实现于G3的可靠连接，为此同建筑专业协商，将该梁根部节点设计成如图12所示形式，节点区域腹板加厚，并延伸一段以增加梁与拱的连接刚度。

图12 悬臂梁根部节点构造

该类梁最大内力为：轴力N=-25.5kN，绕强轴弯矩158.8kN·m，绕弱轴弯矩5.7 kN·m，悬挑跨度9.340m。采用单元shell143建立该悬臂梁的ANSYS模型，与梁单元结果比较如下。

1）刚度对比：梁单元模型端部竖向挠度30. 9 mm，侧向位移19.7 mm；Ansys模型端部竖向挠度32.4 mm（如图12所示），侧向位移14.5 mm。竖向刚度略低于理想模型，两者相差5%以内，这一误差在可接受范围之内。由此说明采用以上的节点构造方式与整体模型中对梁端刚度的假定是一致的。

图12 Ansys悬臂梁模型竖向挠度图13 设计荷载下悬臂根部Mises应力

2）应力对比：按强度计算的梁单元根部最大应力为94.2MPa，Ansys模型为173MPa。从图13可以看出，存在这一差异的原因是悬臂根部存在应力集中现象，局部高应力区出现在腹板与G3相接部位。在该设计荷载作用下，节点区处于弹性状态，可以认为该节点是安全可靠的。

总结

通过对某工程雨篷设计的全面论述，可以得出如下结论：

1）雨棚结构为受力复杂的空间结構，且构件为异型截面，整体模型采用真实截面形状模拟，保证了计算结果的准确性。

2）对于异型复杂截面构件验算，由于没有适合的规范条文可依据，必须进行更深入分析，才能确保构件的设计安全。

3）钢结构节点构造措施必须与整体模型计算假定保持一致。

参考文献

[1]钢结构设计规范（GB50017-2003）[S]. 北京：中国计划出版社. 2003.