当前,大跨度钢结构已经成为一种十分常见的建筑结构形式,同时这种结构的体积比较大,和一般的结构形式相比存在着比较大的差异,所以其在设计施工的过程中都提出了更高的要求,对每一个构件和环节都应该严格的控制,雨蓬作为大跨度钢结构当中的一个重要的构件也应该受到人们的关注和重视。

1工程概况

某工程为观演类的大跨度钢结构建筑,大门的雨蓬是进入到主体建筑中必须要经过的一个区域,同时它也是观众对整个建筑形成第一印象的关键点,因此建筑设计师在对雨蓬的整体造型和构件形状的具体尺寸进行设计的过程中都有了更高的标准和更加严格的要求,之所以这样做是因为能够使得雨蓬在成为一个结构的同时也能独立的成为一个建筑,也就是说机构的构件要处在完全外露的状态,雨蓬的玻璃面板上可以根据设计的需要设置一些装饰,其余的部分都是和谐统一且不带装饰的。

2结构布置

雨蓬的结构剖面图如图1所示,从图中我们可以知道雨蓬主要是由以下几个结构组成的,它们分别是两道混凝土墙、5道圆锥管拱、异形截面梁、幕墙立挺和4根室内的钢柱构。G1是异形截面梁悬挑一侧的封口元件,所以其不会设置到拱脚的位置上,只是扮演了横向连系梁的角色,其自身的截面积也不是很大。G2和G3明显朝着结构主体的方向倾斜,所以它也成为了室内部分和室外部分的一个重要的分界,在这个平面的内部还要完成幕墙立挺结构的设置工作,幕墙的下端要直接固定在主体结构和地下室外墙的最上端。G5设置在了竖直面的内部,和G4直接交叉在了地下室墙的顶部,G2、G3、G4、和G5借助异形截面钢梁形成了一个整体,实现了无缝连接,这个整体具有良好的稳定性。在结构运行的过程中G3借助竖向短柱将整个建筑的荷载都传递给了混凝土墙,混凝土墙再将这些荷载传递给建筑的基础结构。在室内的四根钢柱会和结构顶端的钢梁形成一个完整的框架结构体系,这样也就对室内的异性钢梁和悬挑梁构成了一定的支撑作用,在结构中要对背面的钢柱设置牛腿,这样就可以对相邻的混凝土结构形成支撑。异形梁截面如图2所示,从G2开始到G5形成了一个贯通的梁,其截面为D高度h主要是要按照建筑建设的实际需求来进行一定的线形变化的,只是连接G2和G3的异形梁可以选择截面E,其高度h也是随着建筑自身的变化而出现对应变化的,顺着拱的方向,异形梁的高度也不是一成不变的,同时在方向上也可能产生一定的转变高度变化的范围是450~600 mm,拱顶位置截面的高度达到了最大水平,拱脚处的截面高度达到了最低水平。

3整体模型分析

分析软件采用3D3S9.0,异型截面按照实际情况建模,变高度异型梁做分段处理。

3.1荷载工况与组合

荷载考虑恒荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、温度荷载和地震作用等6个工况。其中风荷载考虑前风、后风、左风、右风四种情况。

荷载组合考虑如下情况:

(1)1.35恒载+1.40x0.70活载;(2)1.20恒载+1.40活载;(3)1.20恒载+1.40风载;(4)1.00恒载+1.40风载;(5)1.20恒载+1.10温度荷载;(6)1.00恒载+1.10温度荷载;(7)1.20恒载+1.40活载+1.40x0.60风载+1.10x0.70温度荷载;(8)1.20恒载+1.40x0.70活载+1.40x0.60风载+1.10温度荷载;(9)1.20恒载+1.40x0.70活载+1.40风载+1.10x0.70温度荷载;(10)1.00恒载+1.40风载+1.10x0.70温度荷载;(11)1.20恒载+1.20x0.50雪载+1.30水平地震+1.30x0.5竖向地震。

3.2结构动力特性

动力结构从某种角度上来说就是结构自身的重量和刚度分布在宏观上的具体表现,它可以对结构在地震作用下的整体性予以判断,同时也可以对暴露在外的结构对地震作用较为敏感的薄弱部位予以确认。其动力性特征如图3所示。

第1振型为室内部分的侧向平动,原因是北侧柱牛腿承担了相对自身侧向刚度来说很大的竖向荷载。第2振型和第3振型为G2及其所连的异型钢梁上下振动,这说明由于G2是斜放的拱,竖向刚度被削弱,从受力上更接近一根曲梁,异型钢梁做为悬挑构件支承着G2,由此可见结构的竖向地震力不容忽视。第4振型为第1振型的高阶形式,之后的许多阶阵型均表现为第1和第2振型的高阶或组合形式。

3.3线性屈曲分析

在恒+风(风压力)作用下,结构线性屈曲特征值最低,第1阶屈曲特征值为17.3,第2阶屈曲特征值为19.9,可见线性结构稳定系数远高于网壳规范规定的稳定系数5。

3.4内力计算结果

G2、G4和G5内力主要是轴力,G2最大轴压力为831.6 k N,出现在柱脚部位,G2出平面计算长度取第1阶线性屈曲模态的1/4波长,近似为15 m,长细比为147,稳定应力比0.47。G4、G5平面内外均有支撑构件,基本是强度控制,G4最大轴压力为1550 k N,应力比0.32,G5最大轴压力718 k N,应力比0.34。G3受力较复杂,轴力、弯矩、剪力、扭矩均不可忽略,最大应力比为0.68。

3.5位移计算结果

室内北侧柱顶最大水平位移为25 mm,最大容许位移为7648/300=25.5 mm;拱3顶部水平位移23.7 mm,拱竖向矢高7808,按H/300控制,最大容许位移为7808/300=26.03 mm,水平位移满足规范要求。

室外部分最大竖向挠度93.4-12.9=80.5mm,悬臂跨度L=12696 mm,挠跨比为1/315;室内部分主梁最大挠度20.1 mm,跨度11583 mm,挠跨比1/576;室内部分次梁最大挠度17 mm,跨度16560 mm,挠跨比1/974,竖向挠度满足规范要求。

4结语

在对某工程的雨棚设计进行全面论述之后,我们可以看出来,雨蓬结构自身具有着十分明显的复杂性,同时构件是异形截面的形式,模型采用的是真实的截面形状模拟形式,这样也就使得计算的误差降到了最小的水平。其次是在异型复杂截面构件计算的过程中,并没有一个相对较为统一的依据,所以一定要对其开展更加全面的分析,只有这样才能保证构件设计的安全性和科学性。