某大跨單懸挑坡屋面鋼結(jié)構(gòu)雨棚受力分析

張宇杰 劉 偉

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116036)

1 工程概況

該項(xiàng)目由若干相同結(jié)構(gòu)形式的鋼結(jié)構(gòu)雨棚組成，每個(gè)雨棚由四榀相同的單懸挑鋼剛架構(gòu)成，剛架之間由垂直于剛架的鋼梁連接，雨棚屋蓋為坡屋面，材料采用鋼化玻璃。每個(gè)雨棚的平面尺寸為9.0 m×22.8 m。結(jié)構(gòu)平面布置圖及鋼剛架立面圖如圖1所示。項(xiàng)目設(shè)計(jì)使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓為0.30 kN/m2，地面粗糙類(lèi)別為C類(lèi)，由于自重較輕，風(fēng)荷載起控制作用。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難點(diǎn)及措施

本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)構(gòu)造看似簡(jiǎn)單，但結(jié)構(gòu)分析中，存在以下難點(diǎn)：

1)本雨棚主體結(jié)構(gòu)為大懸挑結(jié)構(gòu)，正常使用極限狀態(tài)時(shí)，梁端撓度受外荷載影響較大，不容易滿足規(guī)范要求。為了減小自重作用下梁端撓度，在設(shè)計(jì)時(shí)要盡量減輕鋼梁自重。雨棚屋面為坡屋面，所以當(dāng)風(fēng)向?yàn)榱憾酥亮焊鶗r(shí)，風(fēng)荷載對(duì)屋蓋施加的是壓力，這時(shí)，在風(fēng)荷載作用下，梁端撓度方向和自重作用下是一致的，撓度會(huì)進(jìn)行疊加；而當(dāng)風(fēng)向?yàn)榱焊亮憾藭r(shí)，風(fēng)荷載對(duì)屋蓋施加的是吸力，這時(shí)，風(fēng)荷載作用下梁端撓度方向和自重作用下是相反的，會(huì)部分抵消。所以在風(fēng)荷載作用下，鋼梁自重可能是有利因素也可能是不利因素。為了解決這一難點(diǎn)，采取如下措施：鋼梁截面選為變截面，以減輕鋼梁自重，同時(shí)，在施工時(shí)，對(duì)鋼梁采取預(yù)起拱的施工措施。

2)單榀懸挑剛架存在面外穩(wěn)定的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，在垂直于鋼剛架的方向增加縱向鋼主梁，即為圖1中GL4，縱向主梁與鋼柱之間剛結(jié)。另外每隔一段距離間隔設(shè)置鋼次梁，即為圖1中GL3，鋼次梁與鋼梁之間的連接為鉸接。通過(guò)縱向桿件的設(shè)置，各榀剛架連接為一個(gè)整體，保證了單懸挑剛架面外的穩(wěn)定性。

3)懸挑梁受力最不利截面為懸挑根部，此處彎矩和剪力都最大，加上本項(xiàng)目懸挑尺寸較大，懸挑根部截面設(shè)計(jì)為一難點(diǎn)。為此，采取以下措施：a.在保證根部截面不減小的情況下，盡量減輕鋼梁自重，將鋼梁設(shè)計(jì)為變截面，梁端截面高度以能滿足次梁連接為限度；b.在懸挑梁的根部加腋，此措施不僅可以加大根部截面高度，還可以在一定程度上減少應(yīng)力集中。采取加腋構(gòu)造后，根部結(jié)點(diǎn)構(gòu)造見(jiàn)圖2。

3 結(jié)構(gòu)受力分析

本項(xiàng)目采用有限元軟件SAP2000計(jì)算，并使用軟件的設(shè)計(jì)功能對(duì)構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。在正常使用極限狀態(tài)時(shí)，梁端撓度起控制作用，采用表1荷載組合；在承載能力極限狀態(tài)時(shí)，柱子的穩(wěn)定性及梁端應(yīng)力比起控制作用，采用表2荷載組合。表中：D代表恒載，L代表活載，W1代表風(fēng)向?yàn)榱憾酥亮焊琖2代表風(fēng)向?yàn)榱焊亮憾恕ｏL(fēng)荷載以面荷載形式施加到屋蓋表面，風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)，體型系數(shù)根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]表8.3.1第29項(xiàng)采用。

表1 正常使用極限狀態(tài)荷載組合

表2 承載能力極限狀態(tài)荷載組合

3.1 正常使用極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果

在正常使用極限狀態(tài)下，組合4對(duì)應(yīng)的梁端撓度起控制作用，為了減小這一撓度，按本文第2小節(jié)采取加強(qiáng)措施減小主梁梁端撓度。采取措施后，對(duì)應(yīng)的梁端最大撓度為70 mm，方向垂直向下。根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》附錄B中關(guān)于受彎構(gòu)件撓度容許值的規(guī)定：按純懸挑長(zhǎng)度計(jì)算的主梁梁端撓度限值為85 mm[2]，計(jì)算值符合規(guī)范要求。撓度示意圖如圖3所示。

3.2 承載能力極限狀態(tài)

在承載能力極限狀態(tài)下，組合6對(duì)應(yīng)懸臂梁梁根內(nèi)力起控制作用，按本文第2小節(jié)采取加強(qiáng)措施后，強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算均滿足要求，鋼梁對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力比為0.578，鋼柱對(duì)應(yīng)最大應(yīng)力比為0.381，均有較大富余。應(yīng)力比圖如圖4所示。

4 結(jié)論與建議

由以上分析，可得到以下結(jié)論：

1)對(duì)于此類(lèi)坡屋面鋼結(jié)構(gòu)雨棚，由于通常采用玻璃頂蓋，且屋面無(wú)其他覆蓋，屋面體系自重較輕。當(dāng)屋面面積較大時(shí)，要特別注意風(fēng)荷載作用下的驗(yàn)算，風(fēng)荷載通常起控制作用。

2)在鋼結(jié)構(gòu)體系中，當(dāng)鋼柱較高且面外連接薄弱時(shí)，需要特別關(guān)注構(gòu)件的整體穩(wěn)定。

3)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要通過(guò)計(jì)算和分析找出最薄弱受力截面，此截面同時(shí)要關(guān)注應(yīng)力集中問(wèn)題，除了計(jì)算之外，要采取適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施來(lái)保證安全。

同時(shí)，此類(lèi)項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)還建議特別注意以下兩點(diǎn)：

1)由于鋼構(gòu)件長(zhǎng)度截面都比較大，為了便于運(yùn)輸，實(shí)際施工時(shí)會(huì)將各構(gòu)件進(jìn)行分段，構(gòu)件分段的切口要避開(kāi)主要受力部位一定的距離。

2)對(duì)于單懸挑結(jié)構(gòu)，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)，要特別考慮基礎(chǔ)傾覆是否滿足要求。