大懸挑鋼結構拱形雨篷節(jié)點設計與有限元分析

高 健 姜 健 李一松

(1．同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海200092;2．同濟大學土木工程學院，上海200092)

1 引言

現(xiàn)代建筑工程中，雨篷是建筑物必不可少的輔助構件，一般設置在人員流動較大的建筑物出入口［1－2］。隨著中國鋼材產(chǎn)量的大幅度提高，鋼結構設計建造技術的不斷進步，鋼結構雨篷以其強度高，自重小，抗震性、抗傾覆能力強等特點受到越來越多的關注。其常見形式有拉桿式、拉索式、桁架式和鋼網(wǎng)架式等［3－4］。在實際工程中，受到主體建筑物的外形要求以及實際使用需要，雨篷的跨度和懸挑較大，設計時一般采用懸臂鋼梁與斜拉桿相結合的方式［5］，以減小主要受力鋼梁的截面，保證結構安全。但斜拉桿的老化和錨固問題常常影響雨篷承載性能，工程中常采用拱形網(wǎng)架代替斜拉桿。但是，大跨度和大懸挑鋼結構雨篷，由于跨度較大再加上現(xiàn)階段設計、施工技術的局限，無法完全控制其結構上的各種荷載及其可能對結構產(chǎn)生的各種不利影響，包括大面積的屋面風荷載、溫度變化荷載、雪荷載、堆積和不均勻分布等［6－7］。

大懸挑鋼結構雨篷的設計過程中，重點需要綜合考慮雨篷的自重，風荷載、雪荷載等。大懸挑雨篷結構中破壞形式最為嚴重和最為危險的是挑梁傾覆破壞［8－10］。挑梁傾覆破壞是挑梁連接的混凝土柱局部受壓破壞和挑梁本身的破壞，在結構設計過程中需要設計多種結構模型，經(jīng)過大量縝密的計算分析，反復試驗和研討論證，得出最安全、最科學的設計結構。本文針對海門市公共資源交易中心項目，詳細分析了大懸挑鋼結構拱形雨篷的設計，對兩種不同的關鍵節(jié)點進行了有限元分析，為相關工程設計提供了一定參考。

2 工程概況

海門市公共資源交易中心建設項目位于江蘇省海門市，其地上部分由三個單體組成，地下為整體車庫。東側單體主樓地上4層，結構總高19．6 m，為多層建筑，平面形狀為較規(guī)則長矩形，結構平面外包尺寸為97．2 m×40．5 m。建筑效果圖如圖1所示。建筑抗震設防類別為乙類，抗震設防烈度為6度，結構體系采用鋼筋混凝土框架結構，框架抗震等級三級。底層層高5．4 m，二層、三層層高4．8 m，四層層高4．6 m。主要柱網(wǎng)尺寸為 8．1 m ×8．1 m，中庭部分跨度為 16．2 m，采用預應力梁結構。樓屋蓋采用現(xiàn)澆梁板式。

3 大懸挑鋼結構雨篷

海門市公共資源交易中心項目東側單體建有鋼結構拱形玻璃雨等，該雨篷兩端位于一層頂板位置，從兩邊向中間逐漸向外懸挑并向上起拱，跨中接近二層底板位置，雨篷跨度為97．2 m，最大起拱處5 m(接近二層層高5．4 m)，跨中最大外挑7 m。雨篷的整體結構布置如圖2所示。

圖1 工程效果圖Fig．1 Architectural effect drawing

圖2 大懸挑鋼結構拱形雨篷結構布置Fig．2 Schematic of the steel canopy

雨篷由貫穿鋼筋混凝土柱的鋼管主梁和外伸鋼管挑梁組成的鋼網(wǎng)架構成。在混凝土柱內(nèi)預埋鋼骨以提高節(jié)點整體抗傾覆性能，典型的預埋件如圖3所示。鋼筋混凝土柱尺寸為900 mm×900 mm，采用 C30混凝土，縱筋 32 36，箍筋

12@100。雨篷鋼網(wǎng)架采用Q345鋼材，鋼構件的規(guī)格設計為:貫穿柱的主梁采用800×300×25×25矩形鋼管，挑梁采用700×300×20×20矩形鋼管。以下將詳細介紹雨篷網(wǎng)架與混凝土柱的連接節(jié)點的設計和構造措施。

3．1 縱向主梁與柱的連接

在鋼筋混凝土柱內(nèi)預埋矩形鋼箱以拼接鋼管主梁，尺寸如圖3所示，在鋼箱上下表面焊接4塊650 mm長鋼板，板間通過兩排三層 25鋼筋連接，組成預埋加勁鋼骨，鋼箱上焊接螺栓以增強其余混凝土的粘結，鋼箱上預留圓孔，以便混凝土澆筑。由于該雨篷懸挑距離較大，主梁根部受力較大，在加勁板與鋼箱連接對應位置處設置加勁肋，以增強鋼箱根部承受能力，埋板固定的螺栓布置以及主梁與埋板連接的加勁肋布置如圖3和圖4所示。

圖4 預埋件三維立體Fig．4 3D view of the embedded member

表1 鋼結構雨篷節(jié)點構件尺寸Table 1 Dimensions of the beam-column joint

3．2 雨棚挑梁與柱節(jié)點

橫向挑梁與縱向主梁的連接如圖3(b)所示，挑梁與柱內(nèi)預埋鋼箱采用焊接連接，另外，上下翼緣采用貼板予以加強，以保證節(jié)點剛度。

4 有限元分析

本節(jié)采用有限元軟件ABAQUS建立兩種雨篷關鍵節(jié)點模型，一種是第3節(jié)中介紹的工程中采用的貫穿梁柱模型(節(jié)點1)，另一種是最初設計時考慮的焊接梁柱模型(節(jié)點2)，即挑梁和主梁與柱表面的預埋件焊接連接。因為該結構的跨度和懸挑尺度均較大，即使各桿件的受力仍處于彈性階段，但其幾何方程則已是非線性的，故分析時考慮了幾何非線性的影響。通過比較兩種節(jié)點模型的受力性能，提出鋼結構雨篷節(jié)點的設計建議。

4．1 節(jié)點1有限元分析

首先研究節(jié)點1的受力性能。其有限元模型如圖5所示。模型中鋼筋混凝土柱取第二層層高5．4 m，貫穿柱的主梁左右各取半跨，共3．9 m，挑梁取全長7 m。為了簡化分析，建模時沒有考慮預埋鋼箱，主梁直接貫穿混凝土柱，在主梁上下表面外伸鋼板和錨筋以模擬預埋鋼骨;挑梁與主梁焊接，其中柱內(nèi)的主梁和挑梁部分內(nèi)部灌有混凝土;主梁在柱內(nèi)表面沒有定義螺栓，模型中定義鋼梁表面與混凝土完全粘結。模型中，鋼柱和主梁兩端固接，挑梁相當于懸臂梁。

圖5 節(jié)點1的有限元模型Fig．5 Finite element model of Joint 1

本模型考慮實際雨篷受力情況，根據(jù)《建筑結構荷載規(guī)范》(GB 50009—2012)［11］查得雨篷體型系數(shù)為0．3，其計算得到的風荷載與恒活載相比較小，故本文分析中忽略其影響。考慮恒載1．5 kN/m2和活載1 kN/m2，可計算雨篷的設計荷載:L=1．5 ×1．2+1 ×1．4=3．2 kN/m2，考慮雨篷挑梁左右半跨長度2．7 m，可得作用在挑梁上的線荷載為 q=3．2 ×2．7=8．64 kN/m，本例中偏保守取q=9 kN/m。

經(jīng)過有限元靜力分析，挑梁的應力分布如圖6所示，最大應力發(fā)生在挑梁與混凝土柱連接處，大小為33 MPa，約為鋼材屈服強度的1/10。主梁與挑梁連接處的上下表面分別產(chǎn)生較大的拉壓應力(圖7)，但不超過5 MPa;混凝土柱與挑梁連接處產(chǎn)生1．4 MPa拉應力(圖8)，未超過混凝土的抗拉強度(2．0 MPa);連接處縱筋和箍筋產(chǎn)生較小的拉力(圖9)，預埋加勁錨筋受力較小，如圖10所示。

圖6 挑梁應力分布(節(jié)點1)Fig．6 Stress distribution of cantilever beam(Joint 1)

圖7 主梁應力分布(節(jié)點1)Fig．7 Stress distribution of the primary beam(Joint 1)

圖8 混凝土柱沿挑梁方向應力(節(jié)點1)Fig．8 Stress distribution of concrete column(Joint 1)

圖9 柱內(nèi)鋼筋應力分布(節(jié)點1)Fig．9 Stress distribution of the reinforcement(Joint 1)

圖10 預埋鋼骨錨筋應力分布(節(jié)點1)Fig．10 Stress distribution of the embedded reinforced bars(Joint 1)

節(jié)點1內(nèi)梁柱的應力分布表明:整個節(jié)點處于彈性，具有較大的安全儲備，最大應力發(fā)生在挑梁與柱連接處，設計時應予以足夠重視。

4．2 節(jié)點2有限元分析

對于鋼梁和混凝土柱的連接，施工中較常見的是鋼梁與柱內(nèi)預埋件焊接連接(即節(jié)點2)，本節(jié)主要研究此種節(jié)點是否適合大懸挑鋼結構雨篷結構連接形式。同樣，在ABAQUS中建立節(jié)點2的有限元模型，考慮到挑梁和主梁分別也與柱內(nèi)預埋件焊接，可認為主梁和挑梁的受力相互獨立，故在有限元模型中，只建立柱和挑梁的節(jié)點，如圖11所示。在挑梁上施加相同的線荷載(q=9 kN/m)，挑梁應力分布如圖12所示，最大應力90 MPa同樣發(fā)生在節(jié)點處，幾乎是節(jié)點1的3倍;而且，在柱內(nèi)預埋件附近產(chǎn)生較大的拉應力2．2 MPa和塑性應變(圖13)，該拉應力大于混凝土的抗拉強度(2．0 MPa)，混凝土將發(fā)生受拉破壞，導致預埋件被拉出，破壞形態(tài)如圖14所示;柱內(nèi)縱筋和箍筋也承受較大的拉力(圖15)，箍筋受力大小是節(jié)點1的5倍。預埋加勁錨筋受力較大(圖16)，其拉力達到250 MPa，節(jié)點可能會因為錨筋的屈服而進一步發(fā)生破壞。

通過兩個節(jié)點有限元模型的對比分析，可見鋼梁與混凝土柱通過表面預埋件連接，會在節(jié)點處發(fā)生混凝土的受拉破壞，導致預埋件被撕裂;通過主梁貫穿混凝土柱，挑梁與主梁連接，可有效加強節(jié)點的受力性能，整個節(jié)點處于彈性，具有較大的安全儲備。

圖11 節(jié)點2的有限元模型Fig．11 Finite element model of Joint 2

圖12 挑梁應力分布(節(jié)點2)Fig．12 Stress distribution of cantilever beam(Joint 2)

圖13 混凝土柱沿挑梁方向應力和應變(節(jié)點2)Fig．13 Stress and strain distribution of the concrete column(Joint 2)

圖14 柱內(nèi)預埋件撕裂變形Fig．14 Damage of the embedded steel plate

圖15 柱內(nèi)鋼筋應力分布(節(jié)點2)Fig．15 Stress distribution of the embedded reinforced bars(Joint 2)

圖16 預埋鋼骨錨筋應力分布(節(jié)點2)Fig．16 Stress distribution of the embedded reinforced bars(Joint 2)

5 結論

本文針對具體工程實例，研究了大懸挑鋼結構拱形雨篷關鍵梁柱節(jié)點的受力性能，得到如下結論:

(1)對于鋼梁與混凝土柱表面預埋件連接節(jié)點，節(jié)點處易發(fā)生混凝土的受拉破壞，從而導致預埋件的撕裂，節(jié)點發(fā)生脆性破壞。

(2)通過將主梁貫穿鋼筋混凝土柱，挑梁焊接在主梁側面上，同時在柱內(nèi)預埋鋼骨，可有效提高雨篷節(jié)點的受力性能，使節(jié)點處于彈性狀態(tài)，提高安全儲備。

(3)對于大懸挑鋼結構雨篷設計，挑梁的抗傾覆性能尤為重要，其中薄弱環(huán)節(jié)為挑梁與柱的連接節(jié)點，應通過構造措施加強節(jié)點設計。

(4)施工過程中如何保證節(jié)點處鋼管主梁內(nèi)混凝土澆灌密實尤為重要。應確保該處柱、貫通鋼管主梁融為一體，使其共同受力，只有這樣，該處節(jié)點設計才能做到真正的安全、可靠。

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