大跨度懸挑鋼雨篷結構穩定性有限元分析

胡世飛，雷學玲，代躍強，羅津津，李倩倩

(中建六局建設發展有限公司 天津300451)

0 引 言

現代大型城市綜合體建筑物中，鋼結構雨篷往往成為建筑物出入口部位必不可少的構件。隨著我國鋼材產量的逐漸增加以及鋼材結構性能的不斷提升，設計師對于現代建筑美感的要求也逐漸得到滿足。作為一種自重小、抗震性、抗傾覆能力比較強的建筑物構件，鋼結構雨篷能夠適應各種設計需求[1]。在實際工程中對于跨度較大以及懸挑長度較長的雨篷結構，通常情況下會采用懸臂鋼梁與斜拉桿結合的方式，該設計方案可以有效減少受力鋼梁的截面積，確保結構安全[2]。但是，由于跨度較大加上現階段設計、施工的局限，對于大跨度異形鋼結構雨篷的結構穩定性無法完全把控，導致鋼結構安裝完成之后結構變形較大最終導致后續施工無法進行，結構安全性難以得到有效保證[3]。

本文通過分析某城市綜合體項目大跨度異形鋼雨篷的結構穩定性以及節點受力情況，獲得該設計方案的最佳結構形式，為今后相關工程的設計施工提供借鑒。

1 工程概況

該城市綜合體項目位于江蘇省，總建筑面積約52萬m2，地上由7棟塔樓、1棟4層商業裙房組成，地下為2層車庫。工程抗震設防烈度為7度，整體抗震等級為二級，局部抗震等級為一級，主樓為框架-核心筒結構體系，裙房為鋼筋混凝土框架結構，局部為鋼結構。其中商業裙房部位 1～4層層高分別為：5.4、4.8、4.8、4.85m。裙房中庭部位為采光鋼結構屋頂，鋼結構最大跨度36m。

2 大跨度懸挑鋼雨篷

該項目商業裙房設有多個門廳，其中最大的出口部位設置了一個帶有斜拉桿的懸挑鋼雨篷。為了滿足建筑美觀要求，與鋼雨篷主鋼梁相連接的鋼筋混凝土柱向西南方向傾斜，雨篷懸挑梁方向與該門廳混凝土結構傾斜方向一致(圖1)。鋼雨篷主梁(GL1)為H900×300×16×25型鋼，經預埋件與斜柱相連，總跨度 17.4m；雨篷懸挑鋼梁(GL2、GL3)為 H900×(300～200)×14×20型鋼，鋼梁長度為 7.2m，與建筑立面成 63.43°夾角，固定端與主梁鉚接，上部由斜拉桿(φ7.3×8.0無縫鋼管)與主體 3層結構梁內預埋件連接。所有鋼材強度等級均為Q345。

圖1 鋼雨篷結構平面圖Fig.1 Steel awning structure plan

鋼結構雨篷主梁通過預埋件與混凝土斜柱連接，該斜柱從一層開始向東南方向傾斜，一直到頂層，為直徑600mm的圓柱，其一、二層混凝土強度為C45，三、四層混凝土強度為 C35，縱筋 20C25，箍筋為C10@100。兩根混凝土斜柱之間的二層結構梁尺寸為 500mm×1200mm，梁頂鋼筋為 4C25，梁底鋼筋為 5C25，箍筋為 C10@100/200(4)，混凝土強度為C35；與鋼結構雨篷斜拉桿相連接的三層結構梁尺寸為 500mm×1200mm，梁頂鋼筋為 4C25，梁底鋼筋為 8C25，箍筋為 C10@100/200(4)，混凝土強度為C35，內設與鋼雨篷斜拉桿相連接的預埋件(圖2)。

2.1 鋼雨篷主梁與混凝土斜柱連接

鋼雨篷主梁腹板通過斜柱的預埋件與混凝土柱連接。鋼雨篷主梁跨度 17.4m，安裝時首先將連接鋼板與斜柱內埋設的預埋件焊接，之后利用螺栓將連接板與鋼雨篷主梁腹板進行連接，并將主梁翼緣與柱內預埋件板焊接補強，以減小主鋼梁的結構變形。詳見圖3、圖4。

2.2 鋼雨篷主梁與次梁間連接設計

鋼雨篷次梁(GL2、GL3)與主梁(GL1)肋板采用螺栓錨固連接，主梁肋板間距為 2.25m，與主梁腹板夾角為63.43°。次梁之間設置橫向鋼梁以確保整體穩定性，具體見圖1，其中 GL5為 H250×125×10×14的 H型鋼，GL4為 H300×150×6.5×9的窄翼型 H型鋼。型鋼之間均采用螺栓連接。

圖2 鋼雨篷結構剖面圖Fig.2 Steel awning structure section

圖3 柱內埋件詳圖Fig.3 Detail of embedded parts in column

圖4 連接鋼板及節點詳圖Fig.4 Connecting steel plate and joint details

3 有限元分析

本節利用 ABAQUS有限元軟件，對鋼雨篷進行局部構件、節點和整體建模，通過對鋼雨篷的主梁、次梁以及相關節點的有限元分析，探討該鋼雨篷的變形及穩定性。同時結合鋼雨篷的變形及力學性能探求該設計方案下最佳的構件形式，為將來類似設計、施工提供參考。

3.1 鋼雨篷次梁變形分析

為了研究鋼雨篷次梁的受力性能，建立有限元模型如圖5所示。在軟件中選取該雨篷中的 GL2進行分析研究，為了分析簡便，軟件中斜拉桿采用線單元模型，且單純研究次梁的承載能力，不考慮GL1變形的影響，GL2與 GL1連接部位采用固定邊界?？紤]鋼雨篷實際受力情況，根據相關設計規范，對該鋼雨篷所受到的風荷載、恒活荷載進行綜合考慮，計算可得雨篷的設計荷載為3.2kN/m2。

圖5 GL2有限元模型Fig.5 Finite element model of GL2

通過有限元分析，GL2的Mises應力分布如圖6所示，GL2的變形云圖如圖7所示。該鋼梁的最大變形值為 1.812mm，位于鋼梁頂端，該變形值符合設計規范要求。

圖6 GL2受力云圖Fig.6 Stress cloud diagram of GL2

圖7 GL2變形云圖Fig.7 Deformation cloud diagram of GL2

以上分析表明：在不考慮 GL1影響的情況下該鋼雨篷次梁完全能夠承擔所受荷載，其結構變形符合規范要求，且有足夠的安全儲備。

3.2 主梁擬采用普通型鋼(GL1)的結構穩定性分析

設計初期，方案中擬采用 H900×300×16×25的型鋼作為整個大跨度懸挑鋼雨篷的主梁，該主梁上未加其他附屬肋板，主梁GL1為雨篷主要受力構件，根據以往經驗，雨篷主梁 GL1的結構變形將直接影響整個鋼雨篷的穩定性。為了獲得 GL1的最佳結構形式，同時探討 GL1對鋼雨篷整體穩定性的重要影響，通過對鋼雨篷整體模型的受力仿真模擬得到受力云圖及變形云圖。

由圖8、圖9可以看出，該鋼雨篷主梁GL1的縱向變形值為-4.5mm，變形值符合設計要求，GL1對整個結構的縱向力承載能力較強。該設計結果需要進一步的深化，通過改變結構形式，增強結構主梁GL1的剛度，以減小鋼梁撓度確保結構的穩定性，同時需要進一步改變鋼雨篷整體結構形式以保證結構的整體穩定性。

圖8 初步設計方案GL1縱向變形Fig.8 Longitudinal deformation of GL1 in preliminary design scheme

圖9 初步設計方案GL1整體變形Fig.9 Overall deformation of GL1 in preliminary design scheme

3.3 不同鋼雨篷主梁對結構變形影響分析

圖10 原設計方案主梁模型(GL1)Fig.10 Main beam model in original design(GL1)

圖11 GL1-1模型Fig.11 Model of GL1-1

圖12 GL1-2模型Fig.12 Model of GL1-2

圖13 GL1-3模型Fig.13 Model of GL1-3

圖14 GL1-4模型Fig.14 Model of GL1-4

驗證次梁 GL2的承載能力符合要求之后，在設計階段提出了不同的主梁結構形式，通過對比不同結構形式主梁的數值模擬結果，探討主梁結構形式對該鋼雨篷結構整體穩定性的影響。對于不同結構形式優化后的主梁分別編號為 GL1-1、GL1-2、GL1-3、GL1-4。數值模擬軟件中的三維建模模型如圖10—圖14所示。

通過對不同結構的主梁進行數值模擬得到云圖，從圖15—圖19鋼雨篷的應力云圖所得到的結果可以看出，主梁結構形式不同鋼雨篷的受力也不同。從GL1至 GL1-4鋼雨篷的內部最大應力值逐漸減小，由 542.2MPa減為 110.2MPa，最終結果小于 Q345鋼材的屈服強度并且持有一定的安全系數，可以滿足規范要求以及結構正常使用要求。

圖15 主梁為GL1鋼雨篷應力云圖Fig.15 Stress cloud diagram of steel awning with main beam of GL1

圖16 主梁為GL1-1鋼雨篷應力云圖Fig.16 Stress cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-1

圖17 主梁為GL1-2鋼雨篷應力云圖Fig.17 Stress cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-2

圖18 主梁為GL1-3鋼雨篷應力云圖Fig.18 Stress cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-3

圖19 主梁為GL1-4鋼雨篷應力云圖Fig.19 Stress cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-4

由圖15—圖19可以得出GL1至GL1-4結構形式下鋼雨篷的最大應力曲線如圖20所示。

圖20 不同主梁結構形式下雨篷最大Mises應力曲線Fig.20 Maximum Mises stress curve of awning with different main beam structures

通過最大應力曲線可以看出，隨著結構形式的不斷優化，鋼雨篷結構內力值不斷減小，雨篷自身結構受力形式趨于合理。應力曲線也表明，在主梁上增加水平方向的通長肋板可以有效改善結構整體的受力形式，降低結構內力，保證鋼雨篷結構構件處于材料屈服強度以內，保持自身穩定性。

同時，隨著主梁結構形式的改變，鋼雨篷整體位移變形值也逐漸減小，GL1由于抗扭性能較差，且結構撓度較大，導致次梁GL2的兩端撓度增加，最大變形值為 39.93mm，無法滿足正常使用要求。隨著GL1-1到 GL1-4結構的不斷優化，逐漸增加了主梁的剛度，減小了主梁撓度值，最終以 GL1-4為主梁的鋼雨篷其次梁 GL2的最大變形值為 10.96mm，位于懸挑梁頂端，該數值既滿足規范要求，也滿足后期施工要求。

由圖21—圖25可以得出GL1至GL1-4結構形式下鋼雨篷的最大應力曲線如圖26所示。

圖21 主梁為GL1鋼雨篷變形云圖Fig.21 Deformation cloud diagram of steel awning with main beam of GL1

圖22 主梁為GL1-1鋼雨篷變形云圖Fig.22 Deformation cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-1

圖23 主梁為GL1-2鋼雨篷變形云圖Fig.23 Deformation cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-2

圖24 主梁為GL1-3鋼雨篷變形云圖Fig.24 Deformation cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-3

圖25 主梁為GL1-4鋼雨篷變形云圖Fig.25 Deformation cloud diagram of steel awning with main beam of GL1-4

圖26 不同主梁結構形式雨篷最大變形曲線Fig.26 Maximum deformation curve of awning with different main beam structures

圖26的曲線表明，優化主梁結構形式：在主梁背后增加通長的肋板(GL1-1)，有助于減小鋼雨篷的最大變形值；進一步增加主梁背后肋板的數量(GL1-2)，鋼雨篷的最大變形值明顯下降；通過調整主梁背后肋板的位置(GL1-3)，同樣有助于主梁抵抗水平向的變形，從而降低雨篷結構的最大變形；當在主梁結構增加通長肋板的基礎上增加通長的背板后(GL1-4)，雨篷結構的最大變形值出現陡降，并最終符合設計規范要求。由此可見，對于大跨度懸挑鋼雨篷，其結構變形主要受主梁結構剛度的影響，改變主梁結構形式，增大主梁的剛度有助于減小結構位移變形。雨篷主梁結構后加通長肋板并在肋板上增加通長背板的結構形式受力合理，雨篷結構整體安全可靠。

綜上所述，優化后的 GL1-4結構形式最為理想，該結構形式可以滿足設計規范要求。

4 結 論

①通過利用ABAQUS有限元分析軟件對大跨度異型懸挑鋼結構雨篷進行數值模擬，可以準確模擬鋼雨篷在復雜力學體系下的受力變形情況。通過對應力云圖及變形云圖的分析可以快速獲取初步設計方案的結構可靠性，為后續的設計及施工提供有效參考。

②大跨度懸挑鋼雨篷主梁的結構形式對其整體的穩定性起到至關重要的作用。單純使用普通 H型鋼無法保證大跨度鋼雨篷結構的整體穩定性。

③通過在大跨度懸挑鋼雨篷主梁背后增加水平向通長肋板可以有效增加主梁剛度，減小結構整體變形，同時改變主梁肋板的安放位置，對結構主梁的變形也有一定的影響，合理的水平通長肋板位置能夠有效降低主梁水平方向的變形。

④采用通長的水平背向肋板加通長背板的形式可以有效提高雨篷主梁的剛度，從而顯著提高雨篷的整體穩定性，此結構形式受力合理，安全可靠。