某商场入口排框架雨篷的结构设计

林章尹

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

1 工程概况

某商业入口雨篷为单层结构，屋面为矩形，长21.4 m，宽13.15 m，高8.8 m。屋面板材为玻璃，上下通透。雨篷屋盖由4根柱支撑，X向柱跨13m，两端悬挑4.2 m，Y向柱跨12.6 m。建筑从整体外观考虑要求采用细长的钢管柱，边框梁采用大截面，Y向次梁采用中截面，且所有Y向次梁截面一致，檩条采用小截面；屋面设置排水沟，方向不限，排水沟与边框梁在外观上呈一体化，雨水管内嵌于钢管柱。

2 结构布置

结合建筑要求，雨篷X向设计为框架结构，利用大截面的边框梁与钢柱组成框架以提供抗侧力，柱顶、柱底均采用刚接设计，边框梁在柱顶连续。雨篷Y向设计为排架结构，两道排架梁铰接于柱顶，其余次梁铰接于边框梁，柱底仍采用刚接设计。由于排架梁与次梁两端均为铰接，间距基本相同，因此承受的内力相同，从受力角度来看无主次之分，拟采用相同截面。

雨篷延X向布置排水沟，排水沟设置在边框梁内侧。为避免排水沟突出边框梁，同时满足屋面排水找坡要求，Y向排架梁采用变截面箱型梁，由跨中梁高450 mm渐变为端部梁高250 mm，梁端预留出200 mm高度以布置排水沟。该变截面梁的截面特性符合排架梁两端铰接、中间弯矩最大的受力特点。雨篷整体结构如图1所示。

图1 雨篷整体结构

3 荷载作用

（1）考虑上覆玻璃及幕墙连接件的恒载计算取值为1.2 kN/m2，不上人的屋面均布活荷载为0.5 kN/m2。

（2）根据《建筑抗震设计规范》[1]，项目所在地设防烈度为Ⅶ度，设计基本加速度为0.1g，设计地震分组第一组，场地类别Ⅱ类。钢结构抗震等级为四级，延两个主轴方向分别考虑水平地震作用。

（3）按主体结构计算雨篷的风荷载作用。根据《建筑结构荷载规范》[2]附录E.5，项目所在地50年一遇的基本风压为0.85 kN/m2，该雨篷结构对风荷载敏感，为考虑脉动风荷载和由结构风振引起的惯性力[3]，承载力设计时按基本风压的1.1倍计算。由于该雨篷四面开敞，主要风荷载为屋面的负风压作用，屋面风压高度系数为1.0，体型系数取-1.3。经计算，屋面负风压标准值取1.87 kN/m2。

（4）雨篷为室外建筑，需要考虑平均季节温差引起的轴向应力[4]。根据当地气候资料，考虑温度作用标准值为±30°C。

4 计算结果

4.1 变形分析

标准荷载（1.0恒+1.0活）组合下，屋盖排架梁的最大竖向挠度为23 mm，位于屋盖中部，满足规范L0/400=13 000/400=32.5 mm的最大挠度限制要求。标准荷载（1.0恒+1.0负风）组合下，屋盖的最大竖向挠度为6 mm，满足规范L0/400=13 000/400=32.5 mm的最大挠度限制要求。在Y向地震作用下，柱顶的最大水平位移为10 mm，满足规范H/250=8800/250=35.2 mm的最大水平位移限制要求。

4.2 应力分析

基本组合荷载（1.3恒+1.5活）组合下，该雨篷的最大应力比为0.82，位于X向边框梁的悬挑位置。其余构件应力比均不大于0.8.

4.3 模态分析

第一振型为Y向平动（图2），T=0.67；第二振型为X向平动（图3），T=0.56；第三振型为扭转（图4），T=0.50；周期比约为0.75。可见整体结构的刚度较为合理，其中刚度最柔为Y向排架结构。屋盖的竖向震动出现在第五振型（T=0.20），说明屋盖的竖向刚度大于排架结构的侧向刚度。

图2 第一振型（Y向）

图3 第二振型（X向）

图4 第三振型（扭转）

5 节点设计

5.1 梁柱节点

假定雨篷结构的X向为框架结构，梁柱为刚性连接，Y向为排架结构，排架梁与次梁在受力上无分主次，梁端节点均为铰接。节点按照假定的受力特点进行设计，从而确保结构计算和整体受力的准确性。梁柱节点如图5和图6所示。

图5 梁柱节点（一）

图6 梁柱节点（二）

5.1.1 梁柱刚接节点

X向边框梁在柱顶为带悬挑段的连续梁。为实现梁柱节点的刚接，并将边框梁悬挑段的弯矩按刚度分配至内跨梁和钢柱柱顶，在梁柱节点设计时提出了柱内插板的连接方案。钢管柱的内插板延X向布置，与上方的边框梁腹板对齐，在钢柱柱顶对应插板的位置开槽，将内插板插入槽中，两侧与钢柱用熔透焊连接，同时插板上边缘与箱型梁下翼缘角部用对接焊连接。通过柱内插板的连接方式，实现了梁端至柱顶的弯矩传递，提高了柱顶X向的抗弯承载力，增强了梁柱节点的一体性。

5.1.2 梁柱铰接节点

Y向排架梁与边框梁和钢柱同时连接。为释放排架梁Y向的弯矩，实现梁柱节点铰接，该节点采用腹板与连接板螺栓连接的方案。虽然该方式只传递剪力，不传递弯矩，但是螺栓孔传至连接板的剪力，由于偏心仍对边框梁产生额外扭矩。为避免扭矩的产生，连接板设置成内插板，下插一段到钢柱柱顶，内插板两侧分别与柱壁和X向边框梁的内插板通过角焊缝连接。连接板设置成内插板的连接方式，改变了原本的传力路径，剪力通过连接板直接传至钢柱柱顶，避免了抗扭刚度较弱的钢梁承受额外扭矩。同时，内插板也提高了柱顶Y向刚度，增强了梁柱节点的完整性。

5.1.3 梁梁铰接节点

Y向次梁与边框梁采用铰接连接。腹板与连接板采用螺栓连接的方式，能够释放一定的转动，达到梁梁铰接的效果。但是剪力传至边框梁的一侧仍会产生扭矩，为增强边框梁的抗扭刚度，在箱型梁对应连接板的位置设置内隔板，内隔板与箱型梁的壁板采用半熔透焊接。内隔板的设置，能够将连接板的扭矩传至整个梁截面，避免了由单侧腹板受力导致的局部应力过大，甚至局部屈曲的问题（图7）。

图7 梁梁节点

5.2 钢管柱内埋雨水管

5.2.1 运输安装方案

钢管柱如果采用分段运输、现场连接的施工方式，安装时需先拼接柱内的雨水管，再焊接钢管柱。由于雨水管无法提前固定在钢管柱中，拼接时需要将两者分别吊起，此过程容易产生外力，造成雨水管接口处损伤，增加了漏水的风险。经研究，钢管柱采用一体成型的方案，在工厂内将雨水管固定于钢管柱内，整管运输，整管安装，避免了现场拼装导致的损伤风险。该方案虽然增加了运输的难度，但钢柱总长约10 m，仍在可操作范围。

5.2.2 柱顶节点

雨水沟设置在排架梁梁面，因此排架梁采用变截面箱型梁，由跨中梁高450 mm渐变为端部梁高250 mm。雨水管从柱顶伸出，在连续对柱顶封板、排架梁的下翼缘和上翼缘穿洞通过，并由角焊缝固定于梁上翼缘。图8为柱顶节点。

图8 柱顶节点

5.2.3 柱身节点

由于钢管柱柱底内灌混凝土至地面1.5 m标高处，雨水管下端插入混凝土中固定。雨水管在钢管柱中无水平支撑长度达6 m，为避免大水量通过时产生水平晃动，采用特制的丫型支撑固定雨水管。该支撑只需与雨水管固定，随雨水管伸入钢管中，而无须与钢管固定，解决了小直径长圆管中难以施焊的问题。图9为柱中节点。

图9 柱中节点

5.2.4 柱底节点

给排水专业要求在地面以上开检修口。经计算，开洞率达0.4，对钢柱刚度削弱过大。经共同研究，将钢管开洞由地上移至地下，并在柱脚旁加设沉箱，达到检修目的。雨水管在外包柱脚段通过弯头伸出钢管柱，该段有混凝土包裹，且开口处采用钢套管加固，弥补了开洞较大对钢柱刚度的削弱。图10为柱底节点。

图10 柱底节点

5.2.5 其他防腐措施

钢管柱内埋雨水管，漏水和腐蚀问题难以检测，即使发现了问题对其进行维修也极为困难，只能更换整根钢管柱。针对腐蚀问题，采取以下特别措施：①采用防腐补口车对钢管柱内壁进行防腐处理。②雨水管采用DN150不锈钢管，提高防腐能力。③雨水管外包5 mm厚无缝钢管，将雨水管与钢柱隔离。

5.3 柱脚节点

雨篷结构X向为单跨框架结构，Y向为排架结构，柱脚需将弯矩传至基础，因此设计时需要确保柱脚为刚接。

5.3.1 外包柱脚

西侧两根钢柱柱底为地下室顶板梁，由顶板梁（1150 mm×1200 mm）托换。梁面标高-2 m，梁面尚有1.7 m覆土，因此采用外包式柱脚，外包高度1.7 m，满足2.5倍钢柱直径的外包高度构造要求[5]，又不突出建筑地面。外包混凝土柱的尺寸取为钢管柱每侧外扩300 mm，即1150 mm×1150 mm，沿钢管柱外围设置12列栓钉，弯矩通过栓钉传至外包混凝土柱，由柱纵筋承担，并通过柱传至转换梁。

5.3.2 双梁夹柱

东侧两根钢柱由于柱底的板面标高为-0.5 m，而建筑不允许外包混凝土突出建筑地面，因此无法采用同样的外包式柱脚方案。针对该情况，采用双梁夹柱方案。每侧梁截面为400 mm×1450 mm，梁底采用200 mm厚现浇板连接。通过计算确保底板的抗冲切承载力，通过栓钉将柱底弯矩传至梁身。双梁夹柱方案在不占用建筑地面空间的前提下，仅增加梁高，实现了柱脚的刚接。

6 结语

（1）建筑对雨篷不同方向的梁截面提出不同要求。从建筑的限制条件出发，制定雨篷结构方案，两个方向分别按排架和框架设计。

（2）节点设计时，根据排架或框架的假定，形成铰接或刚接节点，符合结构方案的受力假定，满足建筑外观要求。

（3）雨水管内嵌于钢管柱的方案，带来洞口设置、制作、运输和后期检修一系列问题，需要与各专业紧密配合，找出符合各专业要求的最优解。