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设计雨蓬时应该考虑那些问题
文章出处:    作者:    发布时间:2019/6/5 14:49:43
  雨蓬的设计是一个很宽的话题,结构布置、截面选择、支座条件、荷载计算及组合、节点构造、排水等等,很难全讲清楚。根据本人多年来对雨蓬的设计经验和参考其他同行们的设计实例,我主要针对非独立雨蓬的设计表达一下自己的观点。
1、荷载计算
雨蓬的荷载主要包括恒载、活载、雪载、地震荷载、风荷载,其中活载和雪载不同时考虑。⑴恒载:恒载没什么好说的,计算玻璃考虑玻璃的自重,计算构件要考虑玻璃、构件等本身的自重。⑵活载:活载一般取0.5KN/m2,活载可以覆盖施工荷载,检修荷载等。⑶雪载:有积雪的地方才有雪载,按照《荷载规范取值》,雪载不与活载同时考虑,两者中应取较大者。 ⑷ 地震荷载:6、7度设防地区的雨蓬一般可以不考虑地震荷载,如果考虑的话应该是竖向地震,不必考虑水平地震。 ⑸ 风荷载:风荷载是最难也最有争议的荷载;我先谈一下高度变化系数,得到高度变化系数有两种方法,一是采用《荷载规范》条文说明中的公式,二是直接查《荷载规范》的表7.2.1;但高度比较小时,两者得到的数据有较大的差异,应该以《荷载规范》表7.2.1为准。
负风压体型系数取为——2.0,这基本上没有争议,正风压体形系数则无相关规范可以遵循,大家莫衷一是,有人不考虑,有人取0.2,有人取0.6,有人取1.0,还有人取为1.5;有人认为可以参考《荷载规范》中“单坡及双坡顶盖”,独立雨蓬正风压体形系数可以遵循此条取为1.0(也可以稍微保守一点取为1.3或1.4),我认为大门口的雨蓬和独立雨蓬不一样,虽然说建筑物周围气流的方向是非常紊乱的,很难把握,但是我相信气流在建筑物周围主要还是向上的,所以正风压体形系数应该比独立雨蓬要小,正风压体形系数应该小于1.0,至于具体是多少绝对不是我们几个搞钢结构的人在这里讨论讨论就可以决定的,这是要经过大量的风洞试验才能确定的,如果《荷载规范》不对此做出规定,此争议将长期存在;另外,从工程事故来看,也从来都是听说雨蓬被掀翻,从来没听说过被风压塌,如果按照有些人把体形系数取为1.5的话,那么向下组合比向上组合还大,应该是向下破坏,显然与实际不符。 因为气流向上,非独立雨蓬考虑向下组合时我个人一般不考虑风荷载,下面的荷载组合可以看到。
2、荷载组合
1)向上组合
1.4风荷载标准值——1.0恒载标准值
这里不能考虑活载和雪载
2)向下组合
活载起控制作用:1.2恒载标准值+1.4* Max{活载标准值,雪载标准值}
恒载起控制作用:1.35恒载标准值+1.4*0.7*Max{活载标准值,雪载标准值}
取上面两种组合的较大值。
虽然有些情况一眼就看出向上荷载起重要控制作用,但是,对于非双轴对称截面梁来说,向下组合可能会引起失稳问题。我举个例子,如果雨蓬主梁采用T型钢截面,向下组合可能导致T型梁腹板自由一侧失稳,向上组合则没有这个问题。
3、拉杆长细比问题
《钢结构规范》规定长细比不宜大于150,但是对于雨蓬的拉杆来说,这个要求太苛刻了,拉杆粗了笨重难看,细了又不满足150的要求。我觉得我们要好好领会钢结构规范“不宜”这两个字,“不宜”不是不可以,只是要慎重对待,既作为受力构件又作为装饰构件的拉杆就“宜”适当放宽,建议长细比在200以内,当然也不是一定不能超过,我就曾经做过长细比是220的,只要考虑实际的长细比所对应的稳定系数计算通过即可。我经常看到有朋友考虑负风压时“假设”或者“认为”拉杆(其实是压杆)不起作用了,这是要不得的,假设都是有条件的,拉杆只要不失稳,就仍然起着主要的作用,你这一假设,就与实际情况相差十万八千里了。
4、玻璃强度许用问题
我们知道雨蓬和幕墙玻璃的需用强度不一致,这确实是一个令人困扰的问题,对于12mm的钢化玻璃,幕墙的需用强度是84MPa,而雨蓬的是42MPa,我猜想规范制定者是考虑到雨蓬或采光顶玻璃破碎伤害力更大的原因,所以把安全系数定得更高,但是我们采用夹胶玻璃后就不存在这一问题了,即使破碎也掉不下来。但是既然规范是这样,建议大家计算雨蓬玻璃时还是按照《建筑玻璃应用技术规程》来吧。
5、玻璃挠度控制问题
几个原则:小于1/60,不积水(和坡度相关),自重下不能让人肉眼能容易观察出来(这个和挠度及雨蓬高度都相关)。
对于雨篷的做法与处理我个人认为得从以下方面综合考虑:
一、结构方面:
1)、建筑师的外观设计选择梁的外观样式,根据主体结构选择雨篷的受力模型。这个里面合理的受力模型是一个关键。得分析现有的主体情况,合理的安排力的传递方向,从板面到次梁到主梁,这样一步步的分细地布置过来。
2)、对于拉杆我们应该根据不同的平面宽度,不同的雨篷连接方式采取相应的处理方法。
a、对于小于2000mm点支式的玻璃,一般梁的截面计算结果较小,而玻璃点支空间要求较大,所以为了截面的美观不便于直接使用计算结果的截面大小,而考虑美观与人的心理接受截面的大小而设计。这时的单部挠度变形很小,所以如果建筑师在立面要求的拉杆,这时拉杆可以采用非结构件的装饰拉杆,可不做计算,甚至可以是空心薄壁钢管。
b、对于较大的平面分格的雨篷我们应根据钢梁的可连接主体的结构的情况,先安置主受力梁,这多于结构柱的分布位置,一般主体梁不希望在它的受拉区设置较大的外弯与偏心集中载。这样你可以在柱位置设置主受力梁,此时的梁底部连接可以根据情况设置不同的连接方式,但因减小主体负载与节约埋件成本,建议铰连接。此处拉杆按负风压情况分析,按受压长细比设计不大于1/150。这时不可只考虑成本选取薄壁的钢材(推荐厚壁细杆,因为厚板的焊缝计算可能不会小于6——8mm,所以拉杆的堵头板也不会太薄)。主受力梁间采用侧向联系杆连接,一方面增强侧向稳定,一方面为布置中间钢梁,中间钢梁为考虑整体美观可采用等截面,也可以采用小截面梁,因为他们的受力形式是简支梁。
c、对于玻璃肋连接梁,结构上不建议这样处理,因为雨篷多设置于出入口的安全设计,玻璃的正立面延性不错,但端部的脆性很强,在侧向受力时易于驳接处连接破坏,从而失去结构稳定,并且这种做而面玻璃承受侧向刚度,不建议使用。
d、构件式雨篷,这时的钢梁连接非常稳定,次龙骨对主梁有侧向支撑的作用,这时梁截面计算满足即可。
根据以上的阐述,现总结一下设计雨蓬时应该主要考虑那些问题。
1、材料
一定要采用钢化夹胶玻璃,最后采用顶片钢化+内片半钢化玻璃的夹胶的组合,半钢化玻璃也叫热增强玻璃,它的生产工艺与钢化玻璃相似,只是在急冷过程中的风压底于钢化玻璃的工艺标准。半钢化玻璃的表面应力在24——69Mpa之间,低于钢化玻璃的表面应力。所以,半钢化玻璃的强度和抗热冲击性能都略低于钢化玻璃,但相比普通玻璃要提高1——2倍。与钢化玻璃相比,半钢化玻璃的最大优点是玻璃的平整性好,光畸变小,而且由于应力较低,不会产生自爆现象。
半钢化玻璃破碎后,碎片类似普通玻璃,呈现贯通的裂纹,不会在玻璃中心部形成封闭状态的小碎片,也就不会从建筑物上掉下来,这一点对于雨蓬玻璃来说是十分重要的。所以内片半钢化玻璃更加安全,而且破坏时玻璃不会下垂,不影响使用功能和美观,可以保证更换玻璃的时间。
2、结构
悬挑雨蓬风压取值按-2.0考虑。
挠度控制尽量严格,从影响人的视觉效果考虑。
3、排水
汇水面积不是很大的雨蓬,可以考虑自由排水,这样建筑效果更加简洁、美观。
4、拉杆设置
悬挑3m雨蓬能采用固端连接,尽量采用,可以不设拉杆。
悬挑3m以上雨蓬尽量采用铰接,减少固端弯矩,建议必须设拉杆。
拉杆设置可以分两种:A、上下设细拉杆(受拉),例如φ12--16钢拉杆; B、上设拉管(受拉压),例如:φ68×4--φ121×7。
讲讲钢结构雨篷设计的一些心得体会:
雨篷设计可能是钢结构设计中最简单的结构了,但是其实有很多时候也是大家最容易忽视的结构。
1.结构体系
没有拉杆的雨篷计算的时候中间的次梁可以两端释放,根部的支座反力是最大的,预埋件应留有足够的安全富余;
有拉杆的雨篷如果不是每根主梁都拉的话,如果中间的次梁都是两端释放,一般会在雨篷前端做一根通长的大梁,这样使拉杆可以起到作用。
建议对于中间断开的次梁都应该两端释放,通长的次梁可考虑钢接,使得拉杆起到作用。
对于悬挑大的雨篷,比如悬挑5——10米,一般会设置一道通长的次梁,拉杆的长细比根据规范控制在250以内。千万不要认为中间断开的次梁可以钢接,这点真的很危险,可以看看正规的钢结构节点,主梁次梁是如何钢接的。还有就是悬挑大的雨篷——拉杆就是唯一的结构保障了,所以可以适当减小长细比,还有要看好绘图员的螺栓连接节点,钢板的边距是否标明是2d,螺栓即使是双剪,也尽量按单剪考虑(因为螺栓很便宜),真的很重要,今年雪灾很多雨篷塌了都是拉杆螺栓断裂,还有就是拉杆的埋件注意会有附加弯矩。
2.荷载问题
自重荷载,施工荷载,雪荷载,风荷载。自重荷载不多说了;施工荷载一般可以加均布荷载0.5,也可以考虑在最不利位置加集中荷载1.0;雪荷载就是当地的基本雪压,但是要注意雪荷载有分布系数,雨篷一般在建筑侧边,所以类似高低屋面,分布系数是2.0,比如苏州的基本雪压是0.4,实际加荷载就是0.8(目前很少有计算书这样做),并且施工荷载和雪荷载不同时考虑;然后是风荷载,一直有听说有正风压之说,可是没有规范依据,所以我只加-2.0的风荷载,方向向上。
3.结构的美观
有的雨篷比如悬挑3米,没有拉杆,间距小的话计算出来可能120的钢管就够了,但是建议画一个侧面整体视图,你会发现管子看上去很小,雨篷看上去会给人一种惊心动魄的感觉,所以雨篷的截面高度适当控制在1/15——1/20,这样是一个合理的美观尺寸,有安全感,又有安全储备。还有就是挠度,现在的幕墙规范只要求1/125,这个数值实在太松了,实际悬挑5m可以下沉40mm,到现场就会发现挠度很大,但是又满足规范,大大影响美观,所以适当控制的严格一点,还是有好处的。
4.施工质量
图纸上壁厚是6mm,实际施工可能只有5mm多点,施工方是不会帮你买国标的,所以应力比控制的严格一点是有道理的。还有就是埋件,有图纸会标注等强焊接,简单一句话,又不用设置加劲肋,但是实际施工等强就意味着二级焊缝要探伤,实际对接焊接的最小厚度是6mm,探伤也没法探,所以根部埋件还是按照角焊缝计算,考虑施工质量,再加一些加劲钢板,给些安全储备。
5.钢梁开孔
T型钢梁建议开孔一定要计算,真的很危险,H型钢就可以适当放宽一点,腹板毕竟只是是抗剪。
6.雨蓬根部混凝土强度问题
不要认为混凝土强度是无限的,当你的雨篷计算结果根部反力很大时,要适时的和设计院沟通,避免混凝土梁破坏后发生雨篷倒塌。已经遇到很多次发现混凝土梁无法承受雨篷的荷载,这也是要注意的。
7.主梁上翼缘屈曲问题
还有要注意,如果主梁是方钢管而不是H型钢的话,要考虑拉杆的耳板焊接在方管的上翼缘,容易出现上翼缘钢板屈曲,所以要考虑增加加劲肋板,H型钢就没有问题了。
写这些的目的是看到很多刚入门的新手,觉得计算雨篷很简单。画几根线,加个荷载,计算通过就ok了,什么都不细想,其实简单的东西还是有点学问在里面的。
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