某大跨度钢结构雨蓬设计.docx

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某大跨度钢结构雨蓬设计

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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+1.40x0.70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+1.40x0.60风载+1.10x0.70温度荷载

（8）1.20恒载+1.40x0.70活载+1.40x0.60风载+1.10温度荷载

（9）1.20恒载+1.40x0.70活载+1.40风载+1.10x0.70温度荷载

（10）1.00恒载+1.40风载+1.10x0.70温度荷载

（11）1.20恒载+1.20x0.50雪载+1.30水平地震+1.30x0.5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