某商場入口排框架雨篷的結構設計

林章尹

（廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東廣州 510010）

1 工程概況

某商業入口雨篷為單層結構，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，雨水管內嵌于鋼管柱。

2 結構布置

結合建筑要求，雨篷X向設計為框架結構，利用大截面的邊框梁與鋼柱組成框架以提供抗側力，柱頂、柱底均采用剛接設計，邊框梁在柱頂連續。雨篷Y向設計為排架結構，兩道排架梁鉸接于柱頂，其余次梁鉸接于邊框梁，柱底仍采用剛接設計。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，排水溝設置在邊框梁內側。為避免排水溝突出邊框梁，同時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漸變為端部梁高250 mm，梁端預留出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。雨篷整體結構如圖1所示。

圖1 雨篷整體結構

3 荷載作用

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

（2）根據《建筑抗震設計規范》[1]，項目所在地設防烈度為Ⅶ度，設計基本加速度為0.1g，設計地震分組第一組，場地類別Ⅱ類。鋼結構抗震等級為四級，延兩個主軸方向分別考慮水平地震作用。

（3）按主體結構計算雨篷的風荷載作用。根據《建筑結構荷載規范》[2]附錄E.5，項目所在地50年一遇的基本風壓為0.85 kN/m2，該雨篷結構對風荷載敏感，為考慮脈動風荷載和由結構風振引起的慣性力[3]，承載力設計時按基本風壓的1.1倍計算。由于該雨篷四面開敞，主要風荷載為屋面的負風壓作用，屋面風壓高度系數為1.0，體型系數取-1.3。經計算，屋面負風壓標準值取1.87 kN/m2。

（4）雨篷為室外建筑，需要考慮平均季節溫差引起的軸向應力[4]。根據當地氣候資料，考慮溫度作用標準值為±30°C。

4 計算結果

4.1 變形分析

標準荷載（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，滿足規范L0/400=13 000/400=32.5 mm的最大撓度限制要求。標準荷載（1.0恒+1.0負風）組合下，屋蓋的最大豎向撓度為6 mm，滿足規范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，柱頂的最大水平位移為10 mm，滿足規范H/250=8800/250=35.2 mm的最大水平位移限制要求。

4.2 應力分析

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

4.3 模態分析

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（圖4），T=0.50；周期比約為0.75。可見整體結構的剛度較為合理，其中剛度最柔為Y向排架結構。屋蓋的豎向震動出現在第五振型（T=0.20），說明屋蓋的豎向剛度大于排架結構的側向剛度。

圖2 第一振型（Y向）

圖3 第二振型（X向）

圖4 第三振型（扭轉）

5 節點設計

5.1 梁柱節點

假定雨篷結構的X向為框架結構，梁柱為剛性連接，Y向為排架結構，排架梁與次梁在受力上無分主次，梁端節點均為鉸接。節點按照假定的受力特點進行設計，從而確保結構計算和整體受力的準確性。梁柱節點如圖5和圖6所示。

圖5 梁柱節點（一）

圖6 梁柱節點（二）

5.1.1 梁柱剛接節點

X向邊框梁在柱頂為帶懸挑段的連續梁。為實現梁柱節點的剛接，并將邊框梁懸挑段的彎矩按剛度分配至內跨梁和鋼柱柱頂，在梁柱節點設計時提出了柱內插板的連接方案。鋼管柱的內插板延X向布置，與上方的邊框梁腹板對齊，在鋼柱柱頂對應插板的位置開槽，將內插板插入槽中，兩側與鋼柱用熔透焊連接，同時插板上邊緣與箱型梁下翼緣角部用對接焊連接。通過柱內插板的連接方式，實現了梁端至柱頂的彎矩傳遞，提高了柱頂X向的抗彎承載力，增強了梁柱節點的一體性。

5.1.2 梁柱鉸接節點

Y向排架梁與邊框梁和鋼柱同時連接。為釋放排架梁Y向的彎矩，實現梁柱節點鉸接，該節點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生額外扭矩。為避免扭矩的產生，連接板設置成內插板，下插一段到鋼柱柱頂，內插板兩側分別與柱壁和X向邊框梁的內插板通過角焊縫連接。連接板設置成內插板的連接方式，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，內插板也提高了柱頂Y向剛度，增強了梁柱節點的完整性。

5.1.3 梁梁鉸接節點

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，能夠釋放一定的轉動，達到梁梁鉸接的效果。但是剪力傳至邊框梁的一側仍會產生扭矩，為增強邊框梁的抗扭剛度，在箱型梁對應連接板的位置設置內隔板，內隔板與箱型梁的壁板采用半熔透焊接。內隔板的設置，能夠將連接板的扭矩傳至整個梁截面，避免了由單側腹板受力導致的局部應力過大，甚至局部屈曲的問題（圖7）。

圖7 梁梁節點

5.2 鋼管柱內埋雨水管

5.2.1 運輸安裝方案

鋼管柱如果采用分段運輸、現場連接的施工方式，安裝時需先拼接柱內的雨水管，再焊接鋼管柱。由于雨水管無法提前固定在鋼管柱中，拼接時需要將兩者分別吊起，此過程容易產生外力，造成雨水管接口處損傷，增加了漏水的風險。經研究，鋼管柱采用一體成型的方案，在工廠內將雨水管固定于鋼管柱內，整管運輸，整管安裝，避免了現場拼裝導致的損傷風險。該方案雖然增加了運輸的難度，但鋼柱總長約10 m，仍在可操作范圍。

5.2.2 柱頂節點

雨水溝設置在排架梁梁面，因此排架梁采用變截面箱型梁，由跨中梁高450 mm漸變為端部梁高250 mm。雨水管從柱頂伸出，在連續對柱頂封板、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為柱頂節點。

圖8 柱頂節點

5.2.3 柱身節點

由于鋼管柱柱底內灌混凝土至地面1.5 m標高處，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6 m，為避免大水量通過時產生水平晃動，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為柱中節點。

圖9 柱中節點

5.2.4 柱底節點

給排水專業要求在地面以上開檢修口。經計算，開洞率達0.4，對鋼柱剛度削弱過大。經共同研究，將鋼管開洞由地上移至地下，并在柱腳旁加設沉箱，達到檢修目的。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，彌補了開洞較大對鋼柱剛度的削弱。圖10為柱底節點。

圖10 柱底節點

5.2.5 其他防腐措施

鋼管柱內埋雨水管，漏水和腐蝕問題難以檢測，即使發現了問題對其進行維修也極為困難，只能更換整根鋼管柱。針對腐蝕問題，采取以下特別措施：①采用防腐補口車對鋼管柱內壁進行防腐處理。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 柱腳節點

雨篷結構X向為單跨框架結構，Y向為排架結構，柱腳需將彎矩傳至基礎，因此設計時需要確保柱腳為剛接。

5.3.1 外包柱腳

西側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外擴300 mm，即1150 mm×1150 mm，沿鋼管柱外圍設置12列栓釘，彎矩通過栓釘傳至外包混凝土柱，由柱縱筋承擔，并通過柱傳至轉換梁。

5.3.2 雙梁夾柱

東側兩根鋼柱由于柱底的板面標高為-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。每側梁截面為400 mm×1450 mm，梁底采用200 mm厚現澆板連接。通過計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，實現了柱腳的剛接。

6 結語

（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，制定雨篷結構方案，兩個方向分別按排架和框架設計。

（2）節點設計時，根據排架或框架的假定，形成鉸接或剛接節點，符合結構方案的受力假定，滿足建筑外觀要求。

（3）雨水管內嵌于鋼管柱的方案，帶來洞口設置、制作、運輸和后期檢修一系列問題，需要與各專業緊密配合，找出符合各專業要求的最優解。