某钢雨棚的设计分析及节点计算

花 夏

(江苏省建筑设计研究院有限公司 第一设计院,江苏 南京 210000)

1 工程概况与研究背景

大跨度钢雨棚体系轻盈、造型多变，在建筑中应用非常广泛。这种结构形式跨度、柱距通常都比较大，为了造型美观，通常会做分叉柱，这种树形柱的支撑柱形式，本质上是在不减少钢雨棚柱距的前提下，在一定程度上减少雨棚结构的实际跨度，弯矩部分转换成了斜撑的轴力，充分利用钢结构杆件的强度[1]。这种形式使得分叉节点相连的构件内力巨大。本工程钢柱和斜撑均为圆管。钢柱与支撑节点通常采用圆管的相贯焊接节点，并且可在圆管相贯处插板以增加强度，但是从诸多设计案例以及相关研究成果来看，相贯焊接节点对于树形柱节点这种受力复杂部位存在很多不足之处：(1)相贯节点的刚度和强度的影响因素很多，比如主管壁厚及主管、支管的管径比，无法保证绝对的刚接；(2)相贯节点的加工较为复杂，与普通焊接相比，难度较大，施工质量较难保证，在关键节点应用，需要采取额外的加强措施，例如增设插板、法兰盘、外加劲肋等，对于建筑本身的美观会产生一定的影响；(3)节点多重焊缝造成的应力集中，对节点本身的强度会造成影响。所以，对于受力复杂的节点，一般都需要专门的设计验算[2]。

本工程位于江苏南京金马路地铁站，为地铁上盖工程，雨棚为该项目入口。雨棚通过4根钢柱从地下室顶板上支撑，柱距为26.1 m×34.8 m，雨棚顶外包尺寸为59.2 m×52.4 m，柱顶通过3根分叉支撑起雨棚，雨棚顶为波浪造型。

图1 钢雨棚计算模型Fig 1 Calculation model of steel canopy

本工程出于结构安全和建筑美观的考虑，决定采用铸钢节点。伴随着工艺的提高和技术的进步，铸钢节点在工程中的应用越来越广泛。在日本、德国等发达国家，铸钢节点已经随处可见；国内铸钢件的应用刚刚兴起，最近几年，在一些大跨结构中的应用得到了非常好的效果。铸钢节点的优点很多：(1)节点刚度大；(2)节点在工厂内一体成型，各种复杂的造型易于实现；(3)在设计过程中，可以考虑预留各种接口，易于连接，可以避免多重焊缝造成的应力集中现象。

2 计算模型和设计参数

2.1 计算模型

本工程利用Midas gen对主体结构进行计算，计算单元均为梁单元，该雨棚与主体其余结构单体均无连接，4个钢柱刚接于地下室顶板，钢柱与柱顶的支撑刚接，考虑到传力的简洁，支撑与雨棚顶的钢梁与梁底铰接，这样也可以简化该节点做法。

雨棚顶面为一个波浪造型的大跨大悬挑结构，柱顶支撑为三叉造型，彼此呈60°分布，三叉最前端支点悬挑10 m，且彼此之间跨度为45 m，雨棚顶部为波浪造型，在谷底处必须考虑积雪不均匀分布造成的荷载，该雨棚的造型使其受力体系极其复杂。

图2 雨棚平面图Fig 2 Canopy plan

图3 剖面图Fig 3 Profile

2.2 设计参数

(1)荷载作用

根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)[3]的规定，以及实际建筑使用功能取值如下：

(a)永久荷载标准值：上屋面采用张拉膜结构，下屋面考虑穿孔铝板，共计70 kg/m2；

(b)可变荷载标准值：不上人屋面考虑0.5 kN/m2的活荷载， 0.65 kN/m2的雪荷载，按大者考虑，考虑0.65 kN/m2的雪荷载，按照文献[3]7.2节的规定，考虑屋面积雪不均匀造成的荷载；

(c)风荷载：计算取基本风压为0.40 kN/m2，地面粗糙度为B类，考虑-2.0的风吸体型系数；

(d)温度作用：考虑到南京当地的施工条件和该项目的施工周期，考虑25 ℃的升温和15 ℃的降温荷载；

(e)地震作用：本工程的抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，场地土类别为III类，设计基本地震加速度值为0.10 g，特征周期值为0.45 s。

(2)建筑设计分类

根据《建筑抗震设计规范》[4]和本工程的设计要求，该雨棚的结构设计使用年限为50 a，建筑结构安全等级为二级，建筑抗震设防类别为丙类，建筑耐火等级为一级。

(3)荷载效应组合

为了得到该结构在实际使用中不同情况下的反应，需要进行荷载组合，根据文献[3-4]以及《建筑结构可靠性设计统一标准》[5]的相关规定，分为承载能力极限状态和正常使用极限状态考虑荷载组合。

(4)构件截面

构件分布详见平面图，构件截面大小详见表1：

表1 钢结构材料表Table 1 Material list of steel structure

2.3 计算结果

图4 恒载下的挠度Fig 4 Deflection under dead load

图5 活载下的挠度Fig 5 Deflection under live load

图6 风载下的挠度 图7 应力比 Fig 6 Deflection under wind load Fig 7 Stress ratio

由上面结果可得，反拱构件自重这部分恒载造成的变形，挠度满足1/250的要求，悬挑端为1/125；应力比最大为0.91小于0.95，可以满足要求。由此可得，本结构是安全可靠的。

3 铸钢节点分析

3.1 设计计算

在设计铸钢节点时，必须充分考虑施工过程中的安装顺序这一环节[6]。由于节点的连接杆件是空间的，可以是任意方向，所以，必须利用相关有限元软件对节点进行三维设计计算，主要原则是：

(1) 材料必须具有良好的易焊性；

(2) 节点连接的各杆件最好中心交汇，不要产生不必要的偏心荷载；

(3) 节点的杆件外径不得小于连接的杆件，其主要受力杆件壁厚最好为连接杆件的2倍，次要构件壁厚不得小于连接构件的壁厚；

(4) 节点与构件的连接应为等强连接；

(5) 截面变化及壁厚变化处按规范要求，平滑过渡。根据选材匹配的原则，铸钢节点的材料特性应与主结构采用的材料性能尽量匹配，由于材料本身的区别，只能尽量在各项参数选用主要性能相当，其余参数接近的原则考虑，《一般工程与结构用低合金钢铸件》(GB/T 14408—2014)[7]中材料牌号为ZGD345-570材料和《钢结构设计标准》(GB 50017—2017)[8]中的材料牌号为ZG340-550H材料均与主结构使用的Q345B材料材性接近，通过与钢结构加工厂家的沟通，最终选用ZG340-550H为铸钢节点的最终材料，ZG340-550H弹性模量为E=206 000 MPa，泊松比μ=0.3，屈服强度取340 MPa，设计强度取265 MPa；材性详见下表：

表2 ZG340-550H铸钢化学成分表Table 2 Chemical composition table of ZG340-550H cast steel

表3 铸钢力学性能表Table 3 Mechanical properties table of cast steel

铸钢节点采用Midas fea进行有限元分析，单元选取shell单元。铸钢件壁厚，取50 mm厚，在两管交界处取壁厚75 mm。

根据Midas gen模型的计算结果，从模型中提取节点区各杆件荷载组合内力设计值。经对比，选择的受力最大杆件单元编号如图8，单元内力见表4。

对节点区各杆件端部分别施加节点集中荷载(通过节点耦合方式，施加轴向力、剪力、弯矩和扭矩)，下部钢柱顶部处作为铸钢节点的支座，施加刚性节点约束，模型如图9。

表4 杆件内力表Table 4 Internal force table of member

图8 杆件编号图Fig 8 Diagram of member number

图9 节点荷载及边界条件图Fig 9 Diagram of node load and boundary condition

3.2 计算结果

由于铸钢节点具有良好的塑性特质，强度应采用von-mises 应力，其应力分布及整体变形如图10。

图10 整体应力分布Fig 10 Global stress distribution

图11 整体变形分布Fig 11 Global deformation distribution

由节点von-mises 应力分布图可知，各支管上最大应力为322.3 MPa，中间连接处最大von-mises 应力303.9 MPa，位于P900×30与主管P1250×40相贯线位置处。应力超过强度设计值263 MPa 的区域仅仅分布在各支管与主管的相贯线交界处，在连接处，我们也做了加强处理，这是符合设计意图的。

由整体应力分布图11可知，本节点仍处于弹性状态，所有单元应力均小于屈服强度340 MPa，节点强度满足规范要求，节点安全可靠。同时，节点最大变形仅为17.9 mm，其刚度满足要求。

根据《铸钢节点应用技术规程》(CECS 235—2008)[9]第4.3.9条，需补充节点弹塑性有限元分析，以求得节点极限承载力,保证节点极限承载力在节点承载力设计值的3倍以上。

将Midas gen中计算模型中提取的内力放大10倍分别施加到对应的位置，进行荷载-位移全过程分析，当施加到3.76倍荷载设计值，节点最大应力为415.4 MPa，仍小于铸钢节点材料极限抗拉强度550 MPa。偏安全考虑，可认为节点达到其极限承载力，如图12。

图12 节点极限承载力应力分布Fig 12 Stress distribution of ultimate bearing capacity of joints

4 结论

本文对于大跨度钢雨棚及铸钢节点分析，得出以下结论：

(1) 本次钢雨棚的设计是符合相关规范要求的，并且很好地切合了建筑意图，实现了造型的需求；

(2) 对于大跨度造型复杂的钢雨棚，受力复杂的关键部位宜采用铸钢节点；铸钢节点可大大减少结构复杂部位处的多重焊缝，对结构受力非常有利；

(3) 铸钢节点应单独用有限元计算分析其承载能力和变形能力，如受力特别特别复杂甚至需用试验加以验证。

5 展望

随着时代的发展，各式各样轻盈的大跨度钢雨棚会越来越多，造型也会越来越多变，那对于梁柱等关键节点的要求也会随之越来越高，对铸钢节点的需求也就越来越大；随着科技的进步，钢材的种类也越来越丰富，加大了铸钢节点实现的可能；而各种有限元软件的不断成熟，也在丰富我们计算铸钢节点特性的手段[10]。所以，我们有理由相信，铸钢节点在未来的结构中，将发挥越来越大的作用。