大跨懸挑屋面的設計與研究

張承林

安徽富煌建筑設計研究有限公司 安徽 合肥 230088

引言

基于大跨懸挑結構具有造型美觀、輕巧、占用空間少的特點，常被建筑師使用。但是由于大跨懸挑結構的復雜性，因此需要利用有限元軟件進行受力分析，且需要建立整體模型。同時分析懸挑結構時需考慮正負風壓，分析風荷載下的上下振動幅度。

1 工程概況

某辦公樓屋頂上方有一鋼結構屋面，效果圖如圖1所示，平面尺寸為45.3m×36.3m，檐口標高為20.800～24.600m，屋面中心最大標高為21.900m，如圖2所示。鋼屋面設計合理使用年限為50年，結構安全等級為二級，結構重要性系數(shù)1.0，建筑抗震設防分類為丙類。抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.1g，設計地震分組為一組，建筑場地類別為II類[1]。荷載標準值：主體結構自重由軟件自行計算；屋面附加恒載為1.0 kN/m2，包括檁條、屋面板、光伏。活荷載標準值：屋面活荷載0.5kN/m2，施工或檢修集中荷載（人和小工具的自重）取1.0kN（按在最不利位置處進行驗算）。基本雪壓為100年0.70kN/m2，基本風壓為100年0.4kN/m2，地面粗糙度為B類。

圖1 效果圖

圖2 平面圖

2 方案選取

為了較好地實現(xiàn)建筑外觀，結構提出兩種結構方案。

方案一：采用桁架結構。除鋼柱外，均采用平面桁架結構，桁架梁高度根據(jù)建筑高度變化，如圖3所示。

圖3 方案一

方案二；梁、柱均采用矩形管構件，構件高度根據(jù)建筑高度變化，如圖4所示。

圖4 方案二

經(jīng)在同荷載條件下計算對比分析，屋面采用桁架梁的方案單位用鋼量少，但是為了實現(xiàn)建筑造型要求，需要外包鋁板，成本大幅提高，同時加工制作時間較矩形梁柱方案長。最終經(jīng)業(yè)主及建筑方案確定，采用方案二。方案數(shù)據(jù)對比結果如表1所示。

表1 方案對比

3 設計分析

3.1 荷載布置

恒荷載、活荷載按照均布布置，雪荷載根據(jù)屋面的凹凸情況考慮不均分布如圖5所示，根據(jù)荷載規(guī)范，在檐口懸挑區(qū)域應加大風荷載的體形系數(shù)，風在懸挑端區(qū)域考慮±2的體型系數(shù)如圖6所示。

圖5 2倍積雪分布圖

圖6 懸挑區(qū)域風荷載圖

3.2 結構布置

結構布置如圖7所示。

圖7 結構布置圖

變截面D型柱截面外輪廓尺寸為600mm×600mm至600mm×1225mm，壁厚為20mm。四周邊梁采用變截面D型梁，梁截面為D600×600×16×16至D1350×600×20×24；中間十字梁截面為矩形1100×500×18×20（18為腹板）。由于截面尺寸較大，矩形管腹板較高，故除D型柱和十字梁采用Q355B材質外，其余均采用Q235B，在滿足構造要求的同時盡量減小腹板厚度。D型柱和樓層之間采用人字水平支撐，支撐同主體混凝土結構之間采用銷軸連接，如圖8所示，銷軸滿足計算及技術標準要求[2]。采用該節(jié)點后，D型柱對結構主體只傳遞水平力和剪力，降低了對主體結構的影響；連接板埋件采用對穿錨筋，安全可靠性高。

圖8 樓層處銷軸節(jié)點

3.3 結果分析

3.3.1 風荷載下的變形分析。屋頂為輕鋼結構，因此對風荷載較為敏感；同時邊梁懸挑22.6m，屋面從建筑主體墻體外挑4.5m，屬于大跨懸挑結構，因此風荷載的設計尤為重要。計算分析時考慮X、Y兩個方向風荷載，懸挑區(qū)域的風吸、風壓體形系數(shù)分別采用-2和+2。懸挑端在風荷載下的變形值如表2所示。變形值均滿足規(guī)范要求[3]。

表2 風荷載下懸挑端變形值

3.3.2 整體撓度變形分析。在恒+活組合下，豎向撓度變形如圖9所示，Uz=-55mm，55/36300=1/660＜1/400。滿足規(guī)范要求。

3.3.3 強度應力分析。在基本組合下，結構整體應力比如圖10所示，應力比最大為0.84。D型柱柱頂，梁柱節(jié)點處的應力如圖11所示，十字梁相交處的應力如圖12所示。因梁柱節(jié)點處受力較大，多個桿件匯交于此，在D型柱梁柱節(jié)點區(qū)域采取加強措施，如圖13所示。在十字梁交叉處，雖然強度應力不大，但此處相交桿件較多，也應適當加強。

圖10 整體應力比

圖11 D型柱柱頂應力

圖12 十字梁交叉處應力

圖13 D型柱梁柱節(jié)點處勁板

3.3.4 樓層處銷軸節(jié)點計算。以某個樓層處銷軸節(jié)點計算為例，對銷軸進行計算分析，該節(jié)點樓層處節(jié)點反力如表3所示，銷軸為鉸接節(jié)點，無彎矩。耳板采用Q355B材質，銷軸采用40Cr材質。根據(jù)支座反力，合成為垂直于銷軸方向的合力為1100kN，按照設計規(guī)范[2]，進行連接板及銷軸的抗壓、抗剪計算，得出銷軸直徑為80mm。

表3 銷軸支座處反力

4 結束語

本文通過某公建鋼結構頂棚，對其整體、局部關鍵構件及節(jié)點進行了計算分析，得出以下結論。

雪荷載應根據(jù)屋面布置情況，考慮不均勻分布。懸挑區(qū)域對風荷載較為敏感，應進行風吸、風壓兩種計算，并滿足受力及變形的要求。對關鍵節(jié)點區(qū)域應重點計算，并采取有效可靠的加強措施。