林章尹

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東廣州 510010）

1 工程概況

某商業(yè)入口雨篷為單層結(jié)構(gòu)，屋面為矩形，長21.4 m，寬13.15 m，高8.8 m。屋面板材為玻璃，上下通透。雨篷屋蓋由4根柱支撐，X向柱跨13m，兩端懸挑4.2 m，Y向柱跨12.6 m。建筑從整體外觀考慮要求采用細(xì)長的鋼管柱，邊框梁采用大截面，Y向次梁采用中截面，且所有Y向次梁截面一致，檁條采用小截面；屋面設(shè)置排水溝，方向不限，排水溝與邊框梁在外觀上呈一體化，雨水管內(nèi)嵌于鋼管柱。

2 結(jié)構(gòu)布置

結(jié)合建筑要求，雨篷X向設(shè)計(jì)為框架結(jié)構(gòu)，利用大截面的邊框梁與鋼柱組成框架以提供抗側(cè)力，柱頂、柱底均采用剛接設(shè)計(jì)，邊框梁在柱頂連續(xù)。雨篷Y向設(shè)計(jì)為排架結(jié)構(gòu)，兩道排架梁鉸接于柱頂，其余次梁鉸接于邊框梁，柱底仍采用剛接設(shè)計(jì)。由于排架梁與次梁兩端均為鉸接，間距基本相同，因此承受的內(nèi)力相同，從受力角度來看無主次之分，擬采用相同截面。

雨篷延X向布置排水溝，排水溝設(shè)置在邊框梁內(nèi)側(cè)。為避免排水溝突出邊框梁，同時(shí)滿足屋面排水找坡要求，Y向排架梁采用變截面箱型梁，由跨中梁高450 mm漸變?yōu)槎瞬苛焊?50 mm，梁端預(yù)留出200 mm高度以布置排水溝。該變截面梁的截面特性符合排架梁兩端鉸接、中間彎矩最大的受力特點(diǎn)。雨篷整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雨篷整體結(jié)構(gòu)

3 荷載作用

（1）考慮上覆玻璃及幕墻連接件的恒載計(jì)算取值為1.2 kN/m2，不上人的屋面均布活荷載為0.5 kN/m2。

（2）根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，項(xiàng)目所在地設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計(jì)基本加速度為0.1g，設(shè)計(jì)地震分組第一組，場地類別Ⅱ類。鋼結(jié)構(gòu)抗震等級為四級，延兩個(gè)主軸方向分別考慮水平地震作用。

（3）按主體結(jié)構(gòu)計(jì)算雨篷的風(fēng)荷載作用。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[2]附錄E.5，項(xiàng)目所在地50年一遇的基本風(fēng)壓為0.85 kN/m2，該雨篷結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載敏感，為考慮脈動風(fēng)荷載和由結(jié)構(gòu)風(fēng)振引起的慣性力[3]，承載力設(shè)計(jì)時(shí)按基本風(fēng)壓的1.1倍計(jì)算。由于該雨篷四面開敞，主要風(fēng)荷載為屋面的負(fù)風(fēng)壓作用，屋面風(fēng)壓高度系數(shù)為1.0，體型系數(shù)取-1.3。經(jīng)計(jì)算，屋面負(fù)風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值取1.87 kN/m2。

（4）雨篷為室外建筑，需要考慮平均季節(jié)溫差引起的軸向應(yīng)力[4]。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛸Y料，考慮溫度作用標(biāo)準(zhǔn)值為±30°C。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 變形分析

標(biāo)準(zhǔn)荷載（1.0恒+1.0活）組合下，屋蓋排架梁的最大豎向撓度為23 mm，位于屋蓋中部，滿足規(guī)范L0/400=13 000/400=32.5 mm的最大撓度限制要求。標(biāo)準(zhǔn)荷載（1.0恒+1.0負(fù)風(fēng)）組合下，屋蓋的最大豎向撓度為6 mm，滿足規(guī)范L0/400=13 000/400=32.5 mm的最大撓度限制要求。在Y向地震作用下，柱頂?shù)淖畲笏轿灰茷?0 mm，滿足規(guī)范H/250=8800/250=35.2 mm的最大水平位移限制要求。

4.2 應(yīng)力分析

基本組合荷載（1.3恒+1.5活）組合下，該雨篷的最大應(yīng)力比為0.82，位于X向邊框梁的懸挑位置。其余構(gòu)件應(yīng)力比均不大于0.8.

4.3 模態(tài)分析

第一振型為Y向平動（圖2），T=0.67；第二振型為X向平動（圖3），T=0.56；第三振型為扭轉(zhuǎn)（圖4），T=0.50；周期比約為0.75?？梢娬w結(jié)構(gòu)的剛度較為合理，其中剛度最柔為Y向排架結(jié)構(gòu)。屋蓋的豎向震動出現(xiàn)在第五振型（T=0.20），說明屋蓋的豎向剛度大于排架結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。

圖2 第一振型（Y向）

圖3 第二振型（X向）

圖4 第三振型（扭轉(zhuǎn)）

5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

5.1 梁柱節(jié)點(diǎn)

假定雨篷結(jié)構(gòu)的X向?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)，梁柱為剛性連接，Y向?yàn)榕偶芙Y(jié)構(gòu)，排架梁與次梁在受力上無分主次，梁端節(jié)點(diǎn)均為鉸接。節(jié)點(diǎn)按照假定的受力特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而確保結(jié)構(gòu)計(jì)算和整體受力的準(zhǔn)確性。梁柱節(jié)點(diǎn)如圖5和圖6所示。

圖5 梁柱節(jié)點(diǎn)（一）

圖6 梁柱節(jié)點(diǎn)（二）

5.1.1 梁柱剛接節(jié)點(diǎn)

X向邊框梁在柱頂為帶懸挑段的連續(xù)梁。為實(shí)現(xiàn)梁柱節(jié)點(diǎn)的剛接，并將邊框梁懸挑段的彎矩按剛度分配至內(nèi)跨梁和鋼柱柱頂，在梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)提出了柱內(nèi)插板的連接方案。鋼管柱的內(nèi)插板延X向布置，與上方的邊框梁腹板對齊，在鋼柱柱頂對應(yīng)插板的位置開槽，將內(nèi)插板插入槽中，兩側(cè)與鋼柱用熔透焊連接，同時(shí)插板上邊緣與箱型梁下翼緣角部用對接焊連接。通過柱內(nèi)插板的連接方式，實(shí)現(xiàn)了梁端至柱頂?shù)膹澗貍鬟f，提高了柱頂X向的抗彎承載力，增強(qiáng)了梁柱節(jié)點(diǎn)的一體性。

5.1.2 梁柱鉸接節(jié)點(diǎn)

Y向排架梁與邊框梁和鋼柱同時(shí)連接。為釋放排架梁Y向的彎矩，實(shí)現(xiàn)梁柱節(jié)點(diǎn)鉸接，該節(jié)點(diǎn)采用腹板與連接板螺栓連接的方案。雖然該方式只傳遞剪力，不傳遞彎矩，但是螺栓孔傳至連接板的剪力，由于偏心仍對邊框梁產(chǎn)生額外扭矩。為避免扭矩的產(chǎn)生，連接板設(shè)置成內(nèi)插板，下插一段到鋼柱柱頂，內(nèi)插板兩側(cè)分別與柱壁和X向邊框梁的內(nèi)插板通過角焊縫連接。連接板設(shè)置成內(nèi)插板的連接方式，改變了原本的傳力路徑，剪力通過連接板直接傳至鋼柱柱頂，避免了抗扭剛度較弱的鋼梁承受額外扭矩。同時(shí)，內(nèi)插板也提高了柱頂Y向剛度，增強(qiáng)了梁柱節(jié)點(diǎn)的完整性。

5.1.3 梁梁鉸接節(jié)點(diǎn)

Y向次梁與邊框梁采用鉸接連接。腹板與連接板采用螺栓連接的方式，能夠釋放一定的轉(zhuǎn)動，達(dá)到梁梁鉸接的效果。但是剪力傳至邊框梁的一側(cè)仍會產(chǎn)生扭矩，為增強(qiáng)邊框梁的抗扭剛度，在箱型梁對應(yīng)連接板的位置設(shè)置內(nèi)隔板，內(nèi)隔板與箱型梁的壁板采用半熔透焊接。內(nèi)隔板的設(shè)置，能夠?qū)⑦B接板的扭矩傳至整個(gè)梁截面，避免了由單側(cè)腹板受力導(dǎo)致的局部應(yīng)力過大，甚至局部屈曲的問題（圖7）。

圖7 梁梁節(jié)點(diǎn)

5.2 鋼管柱內(nèi)埋雨水管

5.2.1 運(yùn)輸安裝方案

鋼管柱如果采用分段運(yùn)輸、現(xiàn)場連接的施工方式，安裝時(shí)需先拼接柱內(nèi)的雨水管，再焊接鋼管柱。由于雨水管無法提前固定在鋼管柱中，拼接時(shí)需要將兩者分別吊起，此過程容易產(chǎn)生外力，造成雨水管接口處損傷，增加了漏水的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)研究，鋼管柱采用一體成型的方案，在工廠內(nèi)將雨水管固定于鋼管柱內(nèi)，整管運(yùn)輸，整管安裝，避免了現(xiàn)場拼裝導(dǎo)致的損傷風(fēng)險(xiǎn)。該方案雖然增加了運(yùn)輸?shù)碾y度，但鋼柱總長約10 m，仍在可操作范圍。

5.2.2 柱頂節(jié)點(diǎn)

雨水溝設(shè)置在排架梁梁面，因此排架梁采用變截面箱型梁，由跨中梁高450 mm漸變?yōu)槎瞬苛焊?50 mm。雨水管從柱頂伸出，在連續(xù)對柱頂封板、排架梁的下翼緣和上翼緣穿洞通過，并由角焊縫固定于梁上翼緣。圖8為柱頂節(jié)點(diǎn)。

圖8 柱頂節(jié)點(diǎn)

5.2.3 柱身節(jié)點(diǎn)

由于鋼管柱柱底內(nèi)灌混凝土至地面1.5 m標(biāo)高處，雨水管下端插入混凝土中固定。雨水管在鋼管柱中無水平支撐長度達(dá)6 m，為避免大水量通過時(shí)產(chǎn)生水平晃動，采用特制的丫型支撐固定雨水管。該支撐只需與雨水管固定，隨雨水管伸入鋼管中，而無須與鋼管固定，解決了小直徑長圓管中難以施焊的問題。圖9為柱中節(jié)點(diǎn)。

圖9 柱中節(jié)點(diǎn)

5.2.4 柱底節(jié)點(diǎn)

給排水專業(yè)要求在地面以上開檢修口。經(jīng)計(jì)算，開洞率達(dá)0.4，對鋼柱剛度削弱過大。經(jīng)共同研究，將鋼管開洞由地上移至地下，并在柱腳旁加設(shè)沉箱，達(dá)到檢修目的。雨水管在外包柱腳段通過彎頭伸出鋼管柱，該段有混凝土包裹，且開口處采用鋼套管加固，彌補(bǔ)了開洞較大對鋼柱剛度的削弱。圖10為柱底節(jié)點(diǎn)。

圖10 柱底節(jié)點(diǎn)

5.2.5 其他防腐措施

鋼管柱內(nèi)埋雨水管，漏水和腐蝕問題難以檢測，即使發(fā)現(xiàn)了問題對其進(jìn)行維修也極為困難，只能更換整根鋼管柱。針對腐蝕問題，采取以下特別措施：①采用防腐補(bǔ)口車對鋼管柱內(nèi)壁進(jìn)行防腐處理。②雨水管采用DN150不銹鋼管，提高防腐能力。③雨水管外包5 mm厚無縫鋼管，將雨水管與鋼柱隔離。

5.3 柱腳節(jié)點(diǎn)

雨篷結(jié)構(gòu)X向?yàn)閱慰缈蚣芙Y(jié)構(gòu)，Y向?yàn)榕偶芙Y(jié)構(gòu)，柱腳需將彎矩傳至基礎(chǔ)，因此設(shè)計(jì)時(shí)需要確保柱腳為剛接。

5.3.1 外包柱腳

西側(cè)兩根鋼柱柱底為地下室頂板梁，由頂板梁（1150 mm×1200 mm）托換。梁面標(biāo)高-2 m，梁面尚有1.7 m覆土，因此采用外包式柱腳，外包高度1.7 m，滿足2.5倍鋼柱直徑的外包高度構(gòu)造要求[5]，又不突出建筑地面。外包混凝土柱的尺寸取為鋼管柱每側(cè)外擴(kuò)300 mm，即1150 mm×1150 mm，沿鋼管柱外圍設(shè)置12列栓釘，彎矩通過栓釘傳至外包混凝土柱，由柱縱筋承擔(dān)，并通過柱傳至轉(zhuǎn)換梁。

5.3.2 雙梁夾柱

東側(cè)兩根鋼柱由于柱底的板面標(biāo)高為-0.5 m，而建筑不允許外包混凝土突出建筑地面，因此無法采用同樣的外包式柱腳方案。針對該情況，采用雙梁夾柱方案。每側(cè)梁截面為400 mm×1450 mm，梁底采用200 mm厚現(xiàn)澆板連接。通過計(jì)算確保底板的抗沖切承載力，通過栓釘將柱底彎矩傳至梁身。雙梁夾柱方案在不占用建筑地面空間的前提下，僅增加梁高，實(shí)現(xiàn)了柱腳的剛接。

6 結(jié)語

（1）建筑對雨篷不同方向的梁截面提出不同要求。從建筑的限制條件出發(fā)，制定雨篷結(jié)構(gòu)方案，兩個(gè)方向分別按排架和框架設(shè)計(jì)。

（2）節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)排架或框架的假定，形成鉸接或剛接節(jié)點(diǎn)，符合結(jié)構(gòu)方案的受力假定，滿足建筑外觀要求。

（3）雨水管內(nèi)嵌于鋼管柱的方案，帶來洞口設(shè)置、制作、運(yùn)輸和后期檢修一系列問題，需要與各專業(yè)緊密配合，找出符合各專業(yè)要求的最優(yōu)解。