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轻钢雨篷设计的常见问题及解决方案

轻钢雨篷的饰面材料主要有夹胶钢化玻璃、铝板、不锈钢板等,属于建筑的外围护结构,其外型美观、新颖,常被用于民用建筑和工业建筑中,尤其广泛应用于民用建筑的公共建筑和居住建筑。


与轻钢雨篷有关的规范主要有:《建筑结构荷载规范》GB 50009-2012、《混凝土结构设计规范》GB50010-2010、《钢结构设计规范》GB50017-2003、《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2013、《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2015等。


1.计算书常见问题


1.1计算软件、力学模型及钢结构构造等存在的问题


雨篷钢龙骨布置实例是一种典型的雨篷,在多个项目的施工图审查中遇到(见图1)。雨篷纵梁比较长,约6.0m,雨篷在ZL01纵梁上设置拉杆,纵梁侧向间距2.0m,在纵梁前端,设置小方通横梁。其存在的问题主要有:


1.1.1采用Ansys等国外结构分析软件出计算书。因Ansys等结构分析软件通常用于复杂结构体系或物体的受力分析,但由于其没有嵌入中国的结构规范,即没有考虑压杆稳定系数等因素,无法验算结构体系和构件是否符合中国结构规范的要求。


1.1.2采用Sap2000等国外结构分析计算软件出计算书,虽该软件嵌入中国的结构规范,但计算书缺按中国规范对结构构件安全的验算。


1.1.3采用3D3S、PKPM等国内结构计算软件进行分析计算,但对构件的支座及约束定义不当,造成雨篷受力体系的不合理、不安全。上述例子中,存在相应的问题有:


1.1.3.1ZL001纵梁的根部支座定义为固接,前端有拉杆,即在拉杆处为纵梁的支撑点。对该种类型的雨篷纵梁,根部固接对纵梁的截面选择没有多少帮助,只会增加连接及预件的要求。纵梁根部固接和根部铰接的弯矩图(见图2)对比如下:


当纵梁根部为铰接时,且当m=1.5m=L/3=4.5m/3时,纵梁的最大弯矩在跨中:


M1=q×m2/2=q×(L/3)2/2= q×L2/18


M2=q×L2/8


M3=M2-0.5×M1= q×L2/8-0.5×M1=0.097q×L2


铰接纵梁的最大弯矩为0.097 q×L2


当纵梁根部为固接时:


当m=1.5m=L/3=4.5m/3时,纵梁的最大弯矩在支座处:


M1=q×m2/2=q×(L/3)2/2= q×L2/18


M2=q×L2/8=0.125 q×L2


固接纵梁的最大弯矩为0.125 q×L2。


可见,两种类型的支座连接,固接纵梁的弯矩更大些,且固接支座对焊接及后埋件的要求远远要比铰接高得多,故带拉杆的雨篷纵梁一般不宜采用固接支座。


1.1.3.2ZL002、ZL03纵梁的根部支座定义为固接,该纵梁悬挑6.0m,支座弯矩很大,对主体的混凝土梁将产生很不利的扭转作用,且对支座的连接及预埋件的要求非常高,简单地把纵梁焊接在预埋件上是较难达到固接的要求的。


1.1.3.3拉杆的上端和下端直接与埋件及纵梁焊接,与雨篷纵梁形成刚接或半刚接,该种拉杆不是典型的二力杆,杆件存在弯矩。应在拉杆的上端和下端設置连接耳板和销轴,形成典型的二力杆,在建模计算时,应把拉杆上端和下端的强轴及弱轴转动约束进行释放。


1.1.3.4在雨篷纵梁前端拉杆处,没有设置侧向支撑会引起雨篷纵梁的侧向弯曲和扭转变形。


带拉杆的雨篷纵梁为H型钢梁,属于带悬臂端的简支梁,属于受弯构件,翼缘板存在受压情况。按照《钢结构设计规范》GB50017-2003的4.2.1条~4.2.6条,当固定在梁上的面板不能阻止受压翼缘板的侧向位移时,H型钢(或等截面工字钢)简支梁受压翼缘板的自由长度l1与翼缘板宽度b1的比值超过表4.2.1的规定,则应按规范验算受弯简支梁的整体稳定。钢梁整体失去稳定性时,梁将发生较大的侧向弯曲和扭转变形,因此为了提高梁的整体承载能力,任何钢梁在其端部支承处都应采取构造措施,以防止其端部截面的扭转(表4.2.1截图)。


其中,对跨中无侧向支撑点的简支梁,l1为其跨度。如本工程雨篷纵梁选用H300x180x10x12的H型钢,材质为Q235B,在拉杆处设置侧向支撑杆件,荷载作用在上翼缘,简支梁的跨度为4500mm,翼缘板宽度b1为180mm,则其比值为4500/180=25,比表4.2.1的13大,应按4.2.2条公式Mx/φbWx≤f进行整体稳定性验算,其中φb为梁的整体稳定系数,应按《钢结构设计规范》GB50017-2003的附录B确定。对悬挑构件,仅其前端有侧向支撑时,其l1可按其跨度取值计算。


1.1.3.5雨篷拉杆,在深圳等基本风压较大的地区,并非真的仅是“拉杆”,如果只考虑恒载与活载的组合作用,即N/A≤f,拉杆截面较小,在较大的负风压作用下,杆件会失稳。为避免失稳,应考虑拉杆在受压力作用时的稳定系数因素,即N/φA≤f,其中φ为轴心受压杆件的稳定系数,按《钢结构设计规范》GB50017-2003的附录C采用,C为0~1的数值。因受压杆件的稳定系数φ是由计算出来的长细比λ及杆件截面属性,按《钢结构设计规范》GB50017-2003的附录C采用的。《钢结构设计规范》的第5.3.8条及5.3.8表,如果拉杆按支撑类考虑,雨篷拉杆在轴心受压作用时,其长细比取λ≤200,则杆件会比较粗。在该规范第5.3.9条的受拉构件的容许长细比取值表5.3.9下的注释第5条,受拉杆件在永久荷载作用与风荷载组合作用受压时,其长细比不宜大于250,即λ≤250,雨篷拉杆刚好适用该条解释。一般情况下,建筑师不希望杆件太粗大,长细比容许值大,其杆件截面会小些,相对美观些。


经过修改优化后的雨篷钢架平面布置图,见图3。 其中,经过优化、修改的,主要有:


a所有的雨篷纵梁根部与主体结构预埋件铰接;


b纵梁前端的小横梁改成通长的大横梁,大横梁由带拉杆的ZL01纵梁支承,大横梁作为ZL02、ZL03纵梁的梁端的支承点。ZL02、ZL03纵梁的前端与方钢管大横梁铰接,避免大横梁的扭转。


c拉杆的上端和下端设置连接耳板和销轴,形成典型的二力杆。


d拉杆的长细比按照λ≤250考虑。


e在纵梁的侧向设置侧向撑杆,确保纵梁的整体稳定。


1.2雨篷钢化玻璃的强度设计值问题


按《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2015的4.1.9表的短期荷载作用取值有误,如4mm~12mm钢化玻璃的强度设计值为84N/mm2,应按4.1.10条及4.1.10表的长期荷载作用下的强度设计值取值,即钢化玻璃的强度设计值分别为:4mm~12mm为42N/mm2。从字面看,玻璃长期荷载作用下的应力计算,只需取长期荷载即恒载进行计算,这样的理解是错误的,该规范的8.2.6条抄摘内容如下:“雨篷的最大应力设计值应按弹性力学计算,且最大应力不得超过长期荷载作用下的强度设计值”,即在恒载与活载的设计值组合、风荷载与恒载的设计值组合作用下,玻璃的最大应力不得超过长期荷载作用下的玻璃强度设计值。


1.3懸挑雨篷后埋件普通化学螺栓的计算问题


悬挑雨篷纵梁后埋件采用普通化学螺栓,但没有按照《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2013的第6.2.2条的要求进行校核。一般悬挑较长(如≥1.5m)的雨篷纵梁,在长期荷载即恒载作用下,其根部弯矩较大,按照该规范的第6.2.2条和第6.2.4条的公式计算,普通化学锚栓难以满足规范要求。该规范第6.2.2条内容抄摘如下:普通化学锚栓承受长期荷载作用,发生混合破坏时,其受拉承载力应符合下列规定:


群锚NhRd,l≤0.55× NRk,p/γRp (6.2.2-2)


其中,NRk,p为无间距、边距影响时,单个锚栓的受拉承载力标准值(N),按本规程第6.2.4条计算。第6.2.4条:锚栓混合破坏受拉承载力标准值NRk,p=π×d×hef×τRK


其中τRK为粘结强度标准值(N/mm2) ,按本规程第6.2.5条取用。第6.2.5条抄摘如下:


τRK应根据锚栓产品的认证报告确定,无认证报告时,在符合相应产品及基材混凝土强度等级不低于C25等规定情况下,可按表6.2.5取用。


第6.2.2条和第6.2.4条的公式中,有一个关键参数,即普通化学锚栓粘结强度标准值τRK,如果普通化学锚栓的外侧有玻璃、铝板等装饰面板,锚栓处于类似室内的环境,则应认为属于室内环境;如果锚栓外侧只有抹灰、墙砖或直接裸露,则应属于室外环境。


举例:


悬挑雨篷采用M12x160普通化学螺栓,6个锚栓,锚固深度110mm,没有间距及边距因素影响,螺杆公称直径为12mm,处于室外环境,雨篷属于外装饰构件,即非结构构件。在长期荷载(恒载)作用下:


锚栓混合破坏受拉承载力标准值NRk,p=π×12×110×4×0.4=6632(N)


群锚栓混合破坏受拉承载力设计值NhRd,l=0.55× NRk,p/γRp=0.55×6632/1.8=2026(N)


该群锚栓混合破坏受拉承载力设计值数值仅为国内厂家的普通化学锚栓的抗拉力设计值17200N的12%,可见,悬挑雨篷的纵梁采用普通化学锚栓,很难满足该规程的受力要求。怎么处理?按照该规程,后埋件锚栓可采用特殊倒锥形化学锚栓、扩孔型锚栓等锚栓,则不受《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2013的第6.2.2条的约束。


2.施工图设计的预埋件问题


2.1雨篷预埋件锚筋为HRB335或HRB400,钢板为Q235B,选用E50系列焊条,是错误的,不同强度等纸的母材焊接,其焊条应就低不就高,即应选择E43系列焊条。


2.2雨篷预埋件的锚筋长度都按15倍锚筋直径的长度取值是错误的,《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003的附录C的C.0.5之第3条的抄摘内容“当锚筋的拉应力设计值小于钢筋抗拉强度设计值fy时,其锚固长度可适当减小,但不应小于15倍锚固钢筋直径。”


该条文的不应小于15D是基本条件,不是充分条件,注意是“不应小于”,钢筋的抗拉强度利用率分别为30%和95%,其锚筋锚固长度要求明显是不同的。


2.3锚筋与钢板采用手工焊,但没有标注角焊缝的焊脚高度,应按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003的附录C的C.0.4条执行,焊缝高度不宜小于0.6d(HRB335或HRB400级钢筋),d为钢筋直径。


2.4当预埋件的锚筋计算长度较长时,需要采用机械锚固时,应按《混凝土结构设计规范》GB50010-2010的第8.3.3条及表8.3.3的机械锚固形式设置。锚筋末端采用机械锚固时,其锚固长度(包括弯钩或锚固端头在内的锚固长度<投影长度>)可按计算长度La的60%。锚筋末端主要的机械锚类型,如图4所示。


2.5当预埋件存在扭矩时,在预埋件计算时,漏考虑扭矩对预埋件的不利影响,预埋件的设计也未考虑抗扭转因素。在存在扭矩作用的预埋件设计中,建议采用扭剪焊栓、开口型钢(如十字型钢、工字钢等)单独作为抗扭构造,并应抗扭构造进行扭剪验算。


3.旧楼改造的轻钢雨篷后埋件问题


《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2013的第3.1.3条:基材混凝土强度等级不应低于C20。对于旧楼改造项目,主体混凝土强度经常低于C20,则不允许采用后锚栓,可改用穿过砼梁的对穿螺栓连接,但对穿做法应征得主体结构设计单位或具有相应资质单位的认可。《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2013的第6.2.5条:基材混凝土强度等级不应低于C25,否则,不应采用普通化学锚栓锚固。


4.施工图设计的其他常见问题


4.1雨篷一般用于建筑的出入口,除了有遮雨作用,还起着防止其上部物体掉落对人体伤害等保护作用。玻璃倒置(即玻璃面板朝下)的点驳接雨篷,一般难以起到保护作用,建议不采用该种类型的雨篷,如果一定要使用,则建议在玻璃上方设置金属网,或对该类玻璃雨篷按相关规定进行撞击试验,确认安全后方可使用。


4.2对采用有组织排水、面积较大的雨篷,设计单位应与主体建筑设计单位共同核实其上部建筑墙面落下的雨水量及雨篷板面的雨水量,是否在雨篷排水天溝及落水管的容纳量许可范围内。一般应在排水天沟的端头设置溢水孔。


4.3对于整体外形较厚且较宽的带拉杆雨篷,如高度超过1.0m,宽度(进出位)大于3.0m,其两个及以上的拉杆不应平行(正看)设置。如果平行设置,拉杆上下端为铰接,在侧风压作用下,雨篷会有一定量的摆动,至少应有两个拉杆应优化为对称的小角度倾斜(正看)。


4.4铝板雨篷,图纸中常忽略了铝板加强筋的截面、间距等信息,计算书也常漏掉了铝板加强筋的校核。铝板加强筋宜用铝板加工图的形式表达,并应明确铝板脚码的间距等信息。


4.5雨篷整体斜水过小,或玻璃及铝板板块过大、板块较薄、板块刚度较小,导致雨篷积水积灰。参照《采光顶与金属屋面技术规程》JGJ255-2012的4.3.6条,雨篷表面的斜水坡度不应小于3%。


4.6由独立钢柱支承的轻钢雨篷,立柱根部没有按规范采用保护措施。《钢结构设计规范》GB50017-2003的8.9.3强制性条文“柱脚在地面以下的部分应采用强度等级较低的混凝土包裹(保护层厚度不应小于50mm),并应使包裹的混凝土高出地面不小于150mm。当柱脚底面在地面以上时,柱脚底面应高出地面不小于100mm”,应按规范要求执行。


5.小结


轻钢雨篷的设计,牵涉到较多的规范,要考虑建筑、机械、结构、力学计算等诸多方面的因素,其根本的出发点就是安全。本文从轻钢雨篷施工图强制性审查及咨询的角度,提出相关问题,指出适用规范的相关条文,应考虑的相关因素及构造措施,确保轻钢雨篷的安全。


(作者为:中国建筑装饰协会幕墙专家 深圳市土木协会幕墙专家 深圳市幕墙施工图审查专家)


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