幕墙钢结构雨篷的结构设计分析及应用

幕墙钢结构雨篷的结构设计分析及应用

作者姓名：汪正平

单位名称：中铁四局集团有限公司设计研究院

单位省市：安徽省合肥市

单位邮编：230000

摘要：随着建筑行业的大力发展，雨篷在建筑行业上的应有也十分广泛。建筑师不再只满足于雨篷的功能性要求，对雨篷的装饰效果也格外关注，这对雨篷结构设计的要求也大大提高。雨篷一般设置于建筑物的主入口位置，不合理的结构设计存在重大的安全隐患，严重的会危及到人们的生命安全。基于此，本文将对幕墙钢结构雨篷的结构设计要点进行分析，同时结合实际工程项目，探讨幕墙钢结构雨篷的结构设计的有效应用。

关键词：幕墙雨篷  结构受力 安全

引言：随着社会经济的发展和建筑技术的进步，幕墙钢结构雨篷在建筑行业中的应用越来越广泛。这种结构不仅可以为建筑物提供遮阳避雨的功能，还能增强建筑物的外观效果和整体品质。幕墙钢结构雨篷作为现代建筑中常见的一种雨篷形式，其结构设计对于整个建筑物的安全性和稳定性有着至关重要的影响。然而，幕墙钢结构雨篷的结构设计涉及到诸多因素，如材料的选择、结构的受力分析、安全性能等，这就需要我们进行深入的分析和研究，选择合适的支撑体系，不断优化设计方案，以满足对建筑外观和功能的需求。

1.建筑雨篷的分类及分析

按照雨篷材料使用情况，可分为点式玻璃雨篷、铝板雨篷、附框粘接玻璃雨篷（铝板包边）。按照有无拉杆可分为纯悬挑雨篷、上拉杆式雨篷、上下拉杆式雨篷。挑出长度短则一米，长则六米甚至更大。接下来我们重点对这一分类进行分析。一般情况下，纯悬挑雨篷适用于出立面不大于三到四米的小型雨篷；带拉杆雨篷适用出立面不大于四到六米左右的中型雨篷；超过六米，应该使用带柱框架式雨篷，避免出现悬挑结构模型。

在概念设计阶段，三种类型的雨篷需要考虑的重点因素各有不同。

（1）纯悬挑雨篷，这种雨篷多采用每根杆件均悬挑的受弯剪梁构件。从体系层面来看，纯悬挑小型雨篷通常属于不分主次的每根构件均悬挑的体系，构件和根部的连接节点均承受弯剪力作用。（2）带拉杆雨篷，这种雨篷的结构体系通常主次分明。一般来说，与拉杆直接连接的钢梁为主受力构件，其他连接主受力构件的钢梁则形成受力体系，而次构件是根据雨篷面板尺寸分格并简支在主受力构件上。（3）带柱雨篷，这种雨篷通常采用框架或刚架体系。在某些特殊情况下，也会采用框架体系和拉杆体系共同使用的联合受力体系。

在考虑雨篷结构设计时，其结构一般为水平平面体系。所承受的荷载主要包括恒载、活载、风载和雪载等，这些荷载主要作用在竖直方向上。因此，在布置结构时，设计师的主要思路和精力集中在克服竖向力上。然而，侧向稳定问题同样对结构体系的稳定性至关重要：

（1）针对纯悬挑雨篷结构，特别是在高烈度地区的纯悬挑雨篷，我们有以下三种方案可供解决。第一种方案是在边跨或次边跨设置水平支撑，以水平斜支撑的形式来抵抗侧向作用。对于非透明的金属板雨篷，或包含非透明材料的雨篷，此方案的可行性更大，因为其不会影响雨篷的视觉效果。第二种方案是增强悬臂梁的根部节点的水平抗弯能力，使侧向也变为抗侧悬臂构件。另外可将悬臂雨篷挑梁同前端通长的边梁进行刚接处理，这样就可以形成多跨连续钢柱柱脚的框架式抗侧体系，这一做法因不影响雨篷外观，故多被透明的玻璃雨篷所采用；此外第三种解决方案就是上述两种措施的联合使用。

（2）由于带拉杆雨篷的结构特点，其侧向稳定问题则更为突出。一般来说，带拉杆雨篷的侧向稳定问题可采取以下两种方案进行解决。一是设置水平支撑以增强雨篷的整体刚度，进而满足整体侧向稳定要求。此种方法由于会改变雨篷的外观效果，故一般不用于对视觉效果要求较高的玻璃雨篷上；二是通过改变钢梁上翼缘的连接方式，将抗风支撑的竖向抗弯作用发挥出来。例如可将挑梁上翼缘与拉杆间增设竖向支撑，或利用挑梁上翼缘的抗风支撑体系等，这样就可以形成多跨连续钢梁的抗侧体系了。

（3）对于带柱框架式雨篷，由于其一般采用框架或刚架体系，其侧向稳定问题则相对较为简单。通常的做法是在柱间设置水平支撑或刚性系杆，以增强整个雨篷的侧向稳定性。同时，对于带柱雨篷来说，如何解决好柱间构件的连接问题也是十分重要的，通常可以通过合理设计节点构造和连接方式来解决这一问题。

总之，在建筑雨篷的结构设计中，除了满足功能性和装饰效果外，还需要特别关注其结构受力和侧向稳定性问题。不同的雨篷类型和结构体系需要采取不同的设计方法和措施来确保其安全性和稳定性。设计师需要充分了解各种雨篷材料的性能和特点，合理选择和设计结构体系和节点构造，以确保雨篷的安全性和稳定性。

2.雨篷承受的主要荷载及组合分析

雨篷在承受荷载时，主要承受的荷载包括重力、风载、雪载和地震作用等。其中，重力是雨篷设计时需要考虑的主要因素之一，包括雨篷自重和可能的活荷载等。风载和雪载则主要根据当地的气象条件进行设计考虑。地震作用则根据地震烈度进行设计考虑。

在荷载组合上，一般需要考虑以下几种组合情况：

（1）恒载+活载：这是雨篷设计时需要考虑的最常见的荷载组合情况。恒载包括雨篷自重等固定荷载，活载则包括人员活动、物品摆放等可能产生的可变荷载。在设计时，需要综合考虑这两种荷载情况，确定合理的结构设计和材料选择。

（2）风载+地震作用：由于雨篷一般设置于建筑物的出入口位置，因此需要考虑风载和地震作用对其的影响。在设计时，需要结合当地的气象条件和地震烈度，进行合理的结构设计，以确保雨篷在承受这些外力作用时能够保持稳定和安全。

（3）多重荷载组合：除了上述常见的荷载组合情况外，还需要考虑多种荷载的组合情况，如恒载+风载+雪载、恒载+地震作用+雪载等。这些组合情况在雨篷设计时也需要进行考虑和分析，以确保雨篷在承受各种复杂的外力作用时能够保持稳定和安全。

总之，在雨篷的结构设计中，需要对各种荷载和荷载组合情况进行充分的考虑和分析，以确保雨篷在承受各种外力作用时能够保持稳定和安全。同时，还需要根据不同的雨篷类型和结构体系选择合适的结构设计方案和节点构造措施，以确保其安全性和稳定性。

3.幕墙钢结构雨篷的结构设计要点

3.1结构体系选择

幕墙钢结构雨篷的结构设计要点之一是选择合适的结构体系。根据雨篷的尺寸和承重要求，可以选择不同的结构体系，例如悬挑结构、拉杆结构、带柱框架式结构等。

对于尺寸较小、承重较轻的小型雨篷，可以选择悬挑结构，通常采用钢梁或铝梁作为主受力构件，根部连接在建筑主体结构上，挑梁上覆盖玻璃或非透明材料作为雨篷面板。对于尺寸较大、承重较高的大型雨篷，可以选择拉杆结构，通常采用钢梁或铝梁作为主受力构件，通过拉杆连接两侧的建筑主体结构，挑梁上覆盖玻璃或非透明材料作为雨篷面板。对于高度较高、承重较大的超大型雨篷，可以选择带柱框架式结构，通常采用钢柱和钢梁或铝柱和铝梁组成框架体系，挑梁上覆盖玻璃或非透明材料作为雨篷面板。

在选择结构体系时，需要考虑雨篷的尺寸、荷载情况、建筑高度、材料性能等因素，并进行详细的计算和分析，以确保选择的体系能够满足要求并保证安全性和稳定性。同时，还需要根据不同的体系选择合适的节点构造和连接方式，以确保整个体系的受力和传力合理有效。

3.2材料选择

材料的选择直接关系到雨篷的结构性能和使用寿命。在材料选择时需要考虑材料的强度、稳定性、耐候性等因素。

对于主受力构件，如钢梁或铝梁，需要选择高强度材料，如Q345或6061等，以确保其能够承受较大的荷载和弯矩。对于连接构件和节点构造，需要选择具有良好稳定性和耐候性的材料，如不锈钢或铝合金等，以确保其能够抵抗风雨侵蚀和温度变化的影响。同时，在材料选择时还需要考虑材料的加工工艺和连接方式。对于钢材料，可以选择焊接或螺栓连接等方式；对于铝材料，可以选择铆钉连接或螺钉连接等方式。在选择连接方式时需要考虑施工方便、维修方便等因素，并选择合适的节点构造以确保连接的牢固性和稳定性。

3.3节点构造设计

在节点构造设计中，需要考虑以下几个因素：

（1）连接方式：钢构件或铝构件之间的连接方式可以采用焊接、螺栓连接、铆钉连接等。选择合适的连接方式需要考虑施工方便、维修方便、经济合理等因素。（2）传力路径：节点构造的设计需要确保传力路径的合理性和有效性。传力路径是指力从一根构件传递到另一根构件的路径，需要通过合理的节点构造设计来实现。（3）稳定性：节点构造的设计需要考虑到雨篷在使用过程中的稳定性。特别是在风载和地震作用下，雨篷需要具有一定的稳定性以保证其安全性和使用寿命。（4）防腐措施：节点构造的设计需要考虑防腐措施，特别是对于暴露在室外的雨篷，需要采取有效的防腐措施以抵抗风雨侵蚀和紫外线照射等因素。

3.4抗侧稳定性设计

幕墙钢结构雨篷的结构设计还需要考虑抗侧稳定性的设计。由于雨篷在使用过程中会受到风载、雪载、地震作用等外力作用，因此需要采取有效的措施来提高雨篷的抗侧稳定性。

在抗侧稳定性设计中，需要考虑以下几个因素：

（1）支撑体系：为了提高雨篷的抗侧稳定性，需要设置合理的支撑体系。支撑体系通常采用钢杆或铝杆作为支撑构件，通过连接雨篷的主受力构件和建筑主体结构，来提高整个雨篷的抗侧稳定性。（2）隅撑设置：隅撑是提高雨篷抗侧稳定性的重要措施之一。隅撑通常采用角钢或槽钢等材料制作，通过连接雨篷的主受力构件和建筑主体结构，来提高整个雨篷的抗侧稳定性。（3）水平支撑设置：为了提高雨篷的抗侧稳定性，需要设置合理的水平支撑。水平支撑通常采用钢杆或铝杆作为支撑构件，通过连接雨篷的主受力构件和建筑主体结构，来提高整个雨篷的抗侧稳定性。

3.5施工图设计

在完成上述结构设计要点后，需要进行施工图设计。施工图设计是钢结构雨篷设计的最后阶段，也是最重要的阶段之一。在施工图设计中，需要将结构设计转化为具体的施工图纸，包括构件加工图、安装布置图、节点构造图等。在绘制施工图纸时，需要遵循国家相关的设计规范和标准，确保图纸的准确性和可实施性。

3.6结构设计审查

在完成幕墙钢结构雨篷的结构设计后，需要进行结构设计审查。结构设计审查是对整个结构设计进行全面、系统、规范的审查，以确保其安全性和稳定性。审查设计所依据的国家标准、规范、规定等是否齐全，是否符合现行标准和规范的要求。审查雨篷所承受的荷载是否考虑周全，是否考虑了各种复杂的外力作用，如风载、雪载、地震作用等。审查所选择的雨篷结构体系是否合理，是否能够满足使用要求和安全性能要求。审查其他方面如防火、防腐、隔音等设计是否符合要求。通过结构设计审查，可以发现设计中存在的问题和不足之处，并进行及时的修改和完善，以确保幕墙钢结构雨篷的结构设计安全、稳定、可靠。

4.幕墙钢结构雨篷的结构设计的应用实践

4.1工程概况

某商业区的公共广场，设计有一个大型的玻璃雨篷，用来为游客提供遮阳挡雨的功能。雨篷宽27.5m，最大悬挑14.8m。在钢结构主体结构完成之后，没有安装玻璃的情况下，遇到大风天气，主体结构发生了明显的晃动。原设计结构平面布置图如图1所示。

图1 原设计结构平面布置图

4.2问题分析与解决方案

经过对原结构的设计进行详细分析，发现存在以下问题：

（1）结构设计时没有充分考虑到风载的影响，导致结构在风载作用下的稳定性不足；（2）悬挑部分的结构设计过于简单，没有进行有效的支撑和固定，导致悬挑部分的结构稳定性较差；（3）钢结构的连接部分没有进行精细的计算和设计，导致连接部分的强度不足或者存在安全隐患。

为了解决以上问题，重新对幕墙钢结构雨篷进行了结构设计，并采取了以下措施：

（1）增加了对风载的考虑，提高了结构在风载作用下的稳定性；（2）设计了更加合理的悬挑结构，并增加了支撑和固定的措施，提高了悬挑部分的稳定性；（3）对连接部分进行了精细的计算和设计，确保连接部分的强度和安全性。

4.3现结构设计分析

在拆除原有结构之后，我们进行了全新的结构设计。此次设计的主要调整如下：（1）将雨篷的最大悬挑跨度由14.8米调整为12.2米；（2）增设了结构水平斜撑，型号为HW300×300×10×15；（3）将与拉索连接的H型钢的规格由H400×150×10×14和H450×150×10×14调整为H600×300×12×25，并将拉杆直径加大至80毫米；（4）为了优化次要构件截面，我们将H400×150×10×14调整为HN300×150×6.5×9。现设计结构平面布置图如图2所示，结构应力比如图3所示。经过重新设计并施工完成后的幕墙钢结构雨篷，在遇到大风天气时，未再发生明显的晃动现象，证明了新的结构设计取得了良好的效果。同时，新的结构设计也得到了业主和游客的好评，为商业区的公共广场增添了一道亮丽的风景线。

图2 现设计结构平面布置图

图3 现设计结构应力比图

结语：

综上所述，幕墙钢结构雨篷的结构设计是一项复杂而重要的工作，需要考虑多种因素，包括防腐措施、抗侧稳定性设计、施工图设计和结构设计审查等。在结构设计中，必须充分考虑风载、雪载、地震作用等外力作用对结构的影响，以提高雨篷的抗侧稳定性。未来应深入研究幕墙钢结构雨篷的结构设计，不断优化设计方法，提高设计水平，为建筑行业的发展做出更大的贡献。

参考文献：

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[2]高健,姜健,李一松.大悬挑钢结构拱形雨篷节点设计与有限元分析[J].结构工程师,2015,31(3):17-22.

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