钢结构大悬臂构件设计
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【摘要】本文就钢结构中大悬臂构件如雨篷的设计进行了剖析，并提出了关键节点的处理方法。
【关键词】钢结构；大悬臂构件；节点
【中图分类号】TU394 【文献标识码】【文章编号】1674-3954（2011）03-0195-02
一、引言
随着城市建设的不断发展，钢结构大悬臂构件如钢雨篷应运而生。由于主体建筑的条件限制以及后期增设雨篷对构件造型等各方面的要求不同，使构件的设计采取不同的处理方法，不同的计算模型。在较大的风载或雪荷载的作用下发生结构破坏屡见不鲜。本文对钢结构大悬臂构件受力情况进行总结，分类，并对每种类型的构件适应的情况及优缺点，提出相应的设计要点。
二、大悬臂构件连接分类
以钢雨篷为例（见图一）：
根据实际情况，可分为四类。
1、为使用两根拉杆对整片雨篷起到支撑作用，纵横杆件采用刚接节点。拉杆则按拉压杆考虑，考虑在风荷载作用下承受压力，以抵抗风吸力作用。该类型雨篷支座节点设计支座均较为简洁；纵横向水平杆件大小均匀，较为美观，但纵横梁刚接节点处理较复杂。
2、与前者基本相同。拉杆则按单位拉杆考虑，不考虑在风荷载作用下承受压力，风吸力作用由支座刚接节点抵抗。该类型雨篷支座节点设计制作均较为复杂；但拉杆由于是单拉杆，因此长细比限制较小，所以较细，感官上更为轻盈。
3、纵横向水平杆件大小相差较大。横向杆件截面较大，纵向杆件截面很小。并且为使两根拉杆对整片雨篷起到支撑作用，该类型雨篷纵向杆件很细，可在一定程度上满足建筑对雨篷结构的轻盈性的要求；但上部拉杆较粗，通长圆管杆略显复杂。
4、与前者基本相同，拉杆则按单拉杆考虑受压失效。该类型雨篷除前者的优缺点外，又改善了拉杆的粗度，使得雨篷更加轻盈。
三、荷载、作用及荷载组合
1、荷载
（1）永久荷载
（2）活荷载及施工检修荷载
活荷载按不上人屋面活荷载取用0.5kN/m²,组合值系数0.7；
施工检修荷载为每隔1.0m取集中荷载1.0 kN。
此两项荷载取其中一项。
（3）雪荷载
SK=μrs0
雪荷载组合值系数0.7。
（4）风荷载
ωk=βgzμs1μzω0
式中系数，按《建筑结构荷载规范》7.2条取用。
（5）地震作用
根据《建筑抗震设计规范》可按竖向地震反应谱方法计算或按（5）条简化计算。在采用反应谱方法计算时可取水平地震影响系数的0.65倍来定义竖向反应谱（《网壳结构技术规程》（JGJ61-2003）4.4.5条）。
2、荷载组合
根据《建筑结构荷载规范》采用荷载效应的基本组合对结构承载力极限状态进行验算，对基本组合的规定：
屋面活荷载不与雪荷载同时组合；屋面活荷载及雪荷载与风荷载反向，因此不同时组合；
在永久荷载对结构有利时分项系数取1.0。
由以上得到基本组合如下。
（1）由可变荷载控制的基本组合
S=γG SGK +γQ1 SQ1K + γQiψci SQiK
（2）由永久荷载控制的基本组合
S=γG SGK + γQiψci SQiK
（3）包括地震效应的基本组合
在只计算竖向地震效应时水平地震效应的分项系数γEh=0.0 ，且对一般结构在与地震效应组合时，对于一般结构构件风荷载系数ψw=0.0
S=γG SGE +γEvSEvk
按《建筑抗震设计规范》5.3.3条，对于8度取SEvk=0.1SGE 。
（4）正常使用状态荷载组合
对于结构的正常使用计算状态进行验算时，应采用荷载效应的标准组合
S7=1.0 SGK+1.0 Ssnow K
四、杆件截面控制
1、横向梁
主要由计算应力与变形控制，一般变形为控制因素。长细比控制一般150。
2、纵向梁
对于1、2两种类型仍然受应力与变形控制，一般长细比150。
3、拉杆
对于2、3、三种类型雨篷需按拉压杆控制，但由于在风载下受压控制250（《钢结构设计规范》5.3.9条注5规定为250）
对于B、D、三种类型按拉杆控制长细比400，考虑在风荷载作用下杆件失效。
五、关键节点处理
1、纵横梁连接节点见图2
上下翼缘建议采用贴板予以加强，以保证节点刚度，也使得实际的受力与计算模型吻合。
2、横梁支座刚接点见图3。
可采用一般栓焊连接方式，实现刚接节点。
3、拉杆与梁连接点
拉杆下端节点见图4、图5。
对于1、2两种类型雨篷可采用1方式连接，3、4两种类型雨篷拉杆可采用2连接方式。
六、各类结构形式分析
按雨篷在沈阳地区进行算例分析，在基本荷载及参数如表。
表1 沈阳地区雨篷基本荷载及参数
基本雪压s0/( kN/m²)基本风压w0/( kN/m²)地震烈度
0.50.557
表2 荷载标准值
恒荷载（DEAD） 活荷载
（LIVE） 雪荷载
（SNOW） 风荷载(WIND) 地震效应(QUIKE)
程序自动计算 0.5 1.0 -1.1 程序计算或组合计算
根据以上情况经计算，得到较为经济合理的构件截面尺寸及最终计算数据（表3）。
表 3 计算结果数据
雨篷数据 横向梁
应力比 纵向梁
应力比 拉杆
应力比 通长圆管
梁应力比 最大位
移/mm
A 0.467 0.469 0.209 无 4.5/-18.1
B 0.517 0.347 0.444 无 20.0/-16.1
C 0.452 0.044 0.200 0.401 4.4/-19.2
D 0.608 0.040 0.438 0.327 15.0/-18.3
（1）各种类型控制因素均为位移，在此情况下各种类型的杆件（除拉杆外）截面相差不大，另结合施工难度考虑，各类型雨篷的经济性相差不大。
（2）对于2、4三种类型雨篷，在风荷载作用下向上的位移客观，甚至2型向上位移已经达到位移限值，因此在风荷载作用下雨篷的受力体系应酌情严谨考虑。
（3）3型雨篷纵向梁应力比很小，设计时可直接按长细比控制。
（4）3、4型雨篷通长圆管梁应力比相对较大，在设计时可以作为主要调节对象，以使位移满足限值要求。
（5）对于2型、4型雨篷在设计计算时需要对拉杆进行设置，使其为单拉杆，受压时失效。
八、结语
大悬挑钢结构雨篷经常有不合理之处，在各种灾害或满载情况下出现事故也屡见不鲜。本文对大悬挑钢结构雨篷的设计过程进行详尽总结，提出了杆件控制因素与关键节点的设计方式，并通过具体算例给出了设计建议，为今后的大悬挑钢结构雨篷的设计提供参考。
参考文献
[1]GB50009-2001（2006年版）建筑结构荷载规范[S].
[2]GB50011-2010 建筑抗震设计规范 [S].
[3]GB50010-2002混凝土结构设计规范[S].
[4]GB50017-2003钢结构设计规范[S].
[5]JGJ61-2003网壳结构技术规程[S].
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