张宇杰 刘 伟
(大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116036)
1 工程概况
该项目由若干相同结构形式的钢结构雨棚组成，每个雨棚由四榀相同的单悬挑钢刚架构成，刚架之间由垂直于刚架的钢梁连接，雨棚屋盖为坡屋面，材料采用钢化玻璃。每个雨棚的平面尺寸为9.0 m×22.8 m。结构平面布置图及钢刚架立面图如图1所示。项目设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级，设计基本风压为0.30 kN/m2，地面粗糙类别为C类，由于自重较轻，风荷载起控制作用。
2 结构设计难点及措施
本项目结构构造看似简单，但结构分析中，存在以下难点：
1)本雨棚主体结构为大悬挑结构，正常使用极限状态时，梁端挠度受外荷载影响较大，不容易满足规范要求。为了减小自重作用下梁端挠度，在设计时要尽量减轻钢梁自重。雨棚屋面为坡屋面，所以当风向为梁端至梁根时，风荷载对屋盖施加的是压力，这时，在风荷载作用下，梁端挠度方向和自重作用下是一致的，挠度会进行叠加；而当风向为梁根至梁端时，风荷载对屋盖施加的是吸力，这时，风荷载作用下梁端挠度方向和自重作用下是相反的，会部分抵消。所以在风荷载作用下，钢梁自重可能是有利因素也可能是不利因素。为了解决这一难点，采取如下措施：钢梁截面选为变截面，以减轻钢梁自重，同时，在施工时，对钢梁采取预起拱的施工措施。
2)单榀悬挑刚架存在面外稳定的问题。为了解决这一问题，在垂直于钢刚架的方向增加纵向钢主梁，即为图1中GL4，纵向主梁与钢柱之间刚结。另外每隔一段距离间隔设置钢次梁，即为图1中GL3，钢次梁与钢梁之间的连接为铰接。通过纵向杆件的设置，各榀刚架连接为一个整体，保证了单悬挑刚架面外的稳定性。
3)悬挑梁受力最不利截面为悬挑根部，此处弯矩和剪力都最大，加上本项目悬挑尺寸较大，悬挑根部截面设计为一难点。为此，采取以下措施：a.在保证根部截面不减小的情况下，尽量减轻钢梁自重，将钢梁设计为变截面，梁端截面高度以能满足次梁连接为限度；b.在悬挑梁的根部加腋，此措施不仅可以加大根部截面高度，还可以在一定程度上减少应力集中。采取加腋构造后，根部结点构造见图2。
3 结构受力分析
本项目采用有限元软件SAP2000计算，并使用软件的设计功能对构件进行详细设计。在正常使用极限状态时，梁端挠度起控制作用，采用表1荷载组合；在承载能力极限状态时，柱子的稳定性及梁端应力比起控制作用，采用表2荷载组合。表中：D代表恒载，L代表活载，W1代表风向为梁端至梁根，W2代表风向为梁根至梁端。风荷载以面荷载形式施加到屋盖表面，风荷载计算时，体型系数根据《建筑结构荷载规范》[1]表8.3.1第29项采用。
表1 正常使用极限状态荷载组合
表2 承载能力极限状态荷载组合
3.1 正常使用极限状态计算结果
在正常使用极限状态下，组合4对应的梁端挠度起控制作用，为了减小这一挠度，按本文第2小节采取加强措施减小主梁梁端挠度。采取措施后，对应的梁端最大挠度为70 mm，方向垂直向下。根据《钢结构设计标准》附录B中关于受弯构件挠度容许值的规定：按纯悬挑长度计算的主梁梁端挠度限值为85 mm[2]，计算值符合规范要求。挠度示意图如图3所示。
3.2 承载能力极限状态
在承载能力极限状态下，组合6对应悬臂梁梁根内力起控制作用，按本文第2小节采取加强措施后，强度和稳定性验算均满足要求，钢梁对应的最大应力比为0.578，钢柱对应最大应力比为0.381，均有较大富余。应力比图如图4所示。
4 结论与建议
由以上分析，可得到以下结论：
1)对于此类坡屋面钢结构雨棚，由于通常采用玻璃顶盖，且屋面无其他覆盖，屋面体系自重较轻。当屋面面积较大时，要特别注意风荷载作用下的验算，风荷载通常起控制作用。
2)在钢结构体系中，当钢柱较高且面外连接薄弱时，需要特别关注构件的整体稳定。
3)钢结构设计中，要通过计算和分析找出最薄弱受力截面，此截面同时要关注应力集中问题，除了计算之外，要采取适当的构造措施来保证安全。
同时，此类项目设计时还建议特别注意以下两点：
1)由于钢构件长度截面都比较大，为了便于运输，实际施工时会将各构件进行分段，构件分段的切口要避开主要受力部位一定的距离。
2)对于单悬挑结构，在基础设计时，要特别考虑基础倾覆是否满足要求。
