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台风多发地区大悬挑雨篷结构设计方案比选

发布时间:2022年8月8日 点击数:257

因建筑的功能要求,在主楼标高4.700处设置雨篷,北侧雨篷悬挑长度为2.600m,东侧悬挑2.100m,东北角大雨篷最大跨度约13.1m,如图1所示。北侧和东侧雨篷较长,因此通过抗震缝与角部大雨篷脱开。

项目位于浙江舟山,风荷载较大。悬挑大雨篷采用钢结构,充分发挥其自重小、抗震性能较强、承载力较高等优点。但钢雨篷悬挑大,主楼可供支承的框架柱少,对于承受地震作用和风荷载均较大的大悬挑钢雨篷,选择怎么样的结构布置方式,既安全又经济,是结构工程师面临的难题[1,2]。结合工程实际,对比分析比较常用的四种结构方案,为其他类似项目提供参考。

图1 大悬挑雨篷建筑平面图

图1 大悬挑雨篷建筑平面图   下载原图


1 结构布置方案

大雨篷相邻主楼采用现浇钢筋混凝土框架结构,能够提供支承作用的仅四根柱子和边梁。大雨篷上盖玻璃,因此大雨篷采用钢结构。在不增加立柱的前提下,针对悬挑较大的结构设计难题,分别采用下方设置斜撑或者上方采用拉杆的两种结构方案;后来在这两者初步设计的基础上,在不影响大厅门口的交通的情况下,从地下室顶板楼面梁上抬两根立柱,成为第三种结构布置方案。

1.1 斜撑结构方案

从立柱根部设置两根斜撑,如图2所示,斜撑中心线长度约为5.83m,从支撑上端点起算,最大悬挑跨度仍有7.0m。

图2 方案一斜撑方案结构布置

图2 方案一斜撑方案结构布置   下载原图


图3 方案二斜拉杆方案结构布置

图3 方案二斜拉杆方案结构布置   下载原图


图4 方案三新增立柱方案结构布置

图4 方案三新增立柱方案结构布置   下载原图


图5 方案四新增树杈方案结构布置

图5 方案四新增树杈方案结构布置   下载原图


1.2拉杆结构方案

栏杆模型则是在常规悬挑梁布置方式上,通过拉杆减少钢结构承担的荷载。钢拉杆采用实芯圆棒,长度约为10.4m,从拉杆下端点可以看到,悬挑最大距离4.06m,见图3。

1.3 增柱结构方案

图4是在不影响建筑专业行车流线的前提下,在入口处设置一根钢立柱,架立在地下室顶板的框架梁上,根据立柱重新调整中立。

1.4 树杈结构方案

为了更进一步减小悬挑跨度,在立柱顶部设立树杈柱,如图5。

2 杆件截面与荷载取值

针对上述四个不同结构布置方案分别进行建模分析,钢材等级选为Q355B,钢梁截面规格以H450×200×9×14和H250×125×6×9为主,柱脚刚接。方案一斜撑两端铰接,斜撑、与之相邻的杆件截面增大到H550×300×11×18。方案二拉杆采用SR150实腹钢棒,两端铰接,与拉杆相邻的杆件截面同样采用H550×300×11×18。方案三新增立柱采用P450×9的圆钢管,方案四树杈杆截面均为P245×9的圆钢管。

结构自重程序自动计算,并放大1.1倍以考虑构件节点加强等措施。针对雨篷上覆玻璃及固定用玻璃爪的重量,附加恒载取为0.4k N/m2。雨篷活荷载取0.5k N/m2,雪荷载基本雪压也是0.5k N/m2,二者不重复计算。基本风压取值0.85k N/m2(50年一遇),风吸力体型系数取为1.4,风振系数取为1.5[1]。钢结构玻璃雨棚,重量较轻,分析时不考虑地震作用。

3计算结果比较

主要比较不同结构方案对应的竖向变形、风吸力下向上的竖向变形,以及各种组合工况下杆件最大稳定应力比。风荷载主要考虑上吸不利工况,工况组合时风荷载负号代表雨篷作用同样大小的风压力,对于接近平面的雨篷,风压力为零,因此在荷载组合时去掉风荷载负号的情况。

3.1 竖向变形

在“1.0恒+1.0活”标准组合下,四种方案所对应的竖向变形结果见图6,最大竖向变形较为接近,在55.7~71.0mm之间。不同的是,方案一和方案二最大变形主要出现在雨篷中间悬挑最大的端部,而方案三和方案四,新增立柱减少了雨篷的悬挑长度,最大变形出现在两侧。风吸力下雨篷的变形分布类似图5,方向相反,结果如表1所示,新增立柱可有效地将向上变形减小约一半。

  

表1 风吸力下的向上竖向变形/mm  下载原图



表1 风吸力下的向上竖向变形/mm
图6 恒活标准组合下不同方案对应的竖向变形(mm)

图6 恒活标准组合下不同方案对应的竖向变形(mm)   下载原图


3.2 杆件受力特性

恒活基本组合下,方案一对应杆件轴力如图7所示,可以看出,斜撑受到轴压力660.7k N,顶部雨篷相连杆件受拉,轴拉力为312.2k N。方案二拉杆对应的轴拉力为449.7k N,如图6(b)所示;而上吸风对应拉杆的轴压力为294.1k N。

图7“1.3恒+1.5活”下方案一和方案二的轴力

图7“1.3恒+1.5活”下方案一和方案二的轴力   下载原图






图8 不同方案对应的最大稳定应力比

图8 不同方案对应的最大稳定应力比   下载原图


各种工况下构件的应力比结果如图8所示,最大应力控制在0.6~0.8之间,方案四的最大应力比最小。

3.3 经济性比较

统计雨篷钢用量,四个方案对比情况如表2。结合图7的应力比看,在应力比最小的情况下(相当于安全储备最大),方案四的用钢量反而最小,说明了通过树杈柱有效减小了钢雨篷的悬挑长度,受力合理,因此实际设计中采用了此方案。

  

表2 用钢量比较/ton  下载原图



表2 用钢量比较/ton

4结论

通过设置钢斜撑、钢拉杆、增设立柱和增设树杈柱的四个结构方案比选,发现增设树杈柱的结构方案,减小钢雨篷悬挑跨度最有效,在应力比最小的前提下,用钢量反而最省,体现了安全经济的设计原则,成为最终选择的结构布置方案。

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