国内大跨度钢结构天幕的研究已经较为广泛！

基础正方形

随着我国钢结构建筑水平的不断提高，近年来各种独特的空间钢结构如雨后春笋般涌现。 钢结构雨棚作为大型商业综合体的连接纽带，以其夸张的几何造型、华丽的外观受到建筑设计师的青睐。

国内对大跨度钢结构雨棚的研究已经广泛，对空间钢结构节点的实验和研究也比较深入。 然而，大跨度雨篷是由不同的单元支撑的，考虑到每个单元的不同支撑的研究还不够。 因此，本文研究了四种镜像关系放置的下部钢筋混凝土雨棚的支撑条件，并考察了不同支撑条件下钢结构雨棚的内力和受力性能。

顶篷设计

钢结构丨弧度丨大跨度

南充某改造项目屋顶新增雨棚，是连接商业塔楼单元的大跨度空间自由曲面。 顶篷由四个相互对称的钢筋混凝土单元支撑。 雨棚立柱下方的支撑形式不同，雨棚的受力特性和自振特性差异较大。 通过比较雨棚不同约束边界条件，选择合适的支撑形式，保证雨棚拉杆内力满足设计要求。 同时根据分析结果选择合理的支护条件，为后续工程提供参考。

01

项目概况

△屋顶雨棚俯视图

本次改造项目建筑面积约4.8万平方米。 原主体下部为钢筋混凝土框架结构，地上2层（部分4层），建筑功能为商业； 地下1层，建筑功能为车库、设备用房。 屋顶安装的大跨连体钢结构雨棚南北长约60m，东西长约110m。 顶篷是一个形状像蝴蝶的自由曲面。 曲面网格划分为近似空间等边三角形，网格尺寸为2.5m~3.0m。 树冠下方间隔一定距离布置树形分叉柱，分叉柱沿树冠中心对称排列。

△效果图

02

雨棚结构设计

·参数设计

雨棚钢结构设计使用寿命为50年，结构重要系数γ0=1.1。 该场地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，场地类别为II类，设计地震分组为1组，场地特征周期Tg=0.35s。 该地区基本风压为0.3kN/m2，地面粗糙度类别为B类。

载荷值：（1）静载荷：根据程序自动考虑自重，沿Z轴负方向； 屋顶膜及局部铝板0.4kN/m2； (2)人不能到达的屋顶活荷载0.5kN/m2； (3)风荷载：按基本风压与1.0kN/m2计算的风荷载，取较大值进行设计； (4)温度影响：南充地区基础最高气温为36℃，最低气温为0℃，因此钢结构雨棚的温度荷载按温升40℃和温度计算下降28°C； (5)地震影响：考虑垂直地震，垂直地震影响系数为水平地震影响系数的65%。

△效果图

·结构布局

整个天篷是一个格子壳，由钢结构的树形分叉柱支撑。 格壳下方有11根树形分叉柱。 每个树形分叉柱的分叉下方部分均由三个圆管组成，形成相互连接的结构。 连接的组合部分。 其中，分叉柱2、分叉柱4、分叉柱5、分叉柱7、分叉柱11、分叉柱12底部位于三层标高； 分叉柱1、分叉柱3、分叉柱6、8分叉柱底部位于四层标高； 分叉柱13位于地下室顶板标高处； 三楼北侧有两个支架（支架9和支架10）。

△屋顶雨棚支撑数

篷杆截面如表1所示，设置杆截面的总体思路是：在力传递较直接的方向，杆截面相对较大，以增加刚度朝那个方向； 支架周围的拉杆受力集中，拉杆截面也设置得比较大一些； 杆件其余次要位置的横截面相对较小，以减轻结构的重量。

如果支架11、12、13之间的跨度较大(约26m)，则该区域杆的横截面相对较大； 支架 1 和 3 之间； 支架2和支架4之间的力传递路径比较直接，因此杆在Y方向的横截面相对较大。

△表1 冠层主要构件截面

·轴承布置图

由于1号和3号支柱的底座位于四层，因此13号支柱位于地下室顶板，其余柱的底部位于三层。 因此，如表2所示，考虑顶篷柱底部不同约束条件进行参数分析，考察不同方案下对顶篷力学性能和自振特性的影响，得出相关结论。

△表2 顶篷支撑约束

03

结果分析

·方案一

雨棚钢结构在恒载和自重作用下的竖向位移如图1所示，最大竖向位移为62mm； 活荷载作用下的最大位移如图2所示，最大垂直位移为15mm； 风荷载下的竖向位移如图3所示，最大竖向位移为36mm。 方案1组合工况下雨棚钢结构拉杆的应力如图4所示，拉杆最大应力比为0.75。 雨棚钢结构的一阶周期为3.616，二阶周期为2.3015，三阶周期为2.0894。 冠层前三阶振动振型分别如图5～图7所示。

·方案二

雨棚钢结构在恒载和自重作用下的竖向位移如图8所示，最大竖向位移为65mm； 活荷载作用下的最大位移如图9所示，最大垂直位移为15mm； 风荷载下的竖向位移如图10所示，最大竖向位移为42mm。 方案2组合工况下雨棚钢结构杆件应力如图11所示，杆件最大应力比为0.78。 雨棚钢结构的一阶周期为4.165，二阶周期为3.215，三阶周期为2.0894。 ，天幕的前三阶振动形状分别如图12至图14所示。

·第三种解决方案

雨棚钢结构在恒载和自重作用下的竖向位移如图15所示，最大竖向位移为62mm； 活荷载作用下的最大位移如图16所示，最大垂直位移为15mm； 风荷载下的竖向位移如图17所示，最大竖向位移为35mm。 方案3组合工况下雨棚钢结构杆件应力如图18所示，杆件最大应力比为0.73。 雨棚钢结构的一阶周期为1.971，二阶周期为1.147，三阶周期为0.892。 ，天幕的前三阶振动形状分别如图19至图21所示。

·选项4

雨棚钢结构在恒载和自重作用下的竖向位移如图22所示，最大竖向位移为83mm； 活荷载作用下的最大位移如图23所示，最大垂直位移为19mm； 风荷载下的竖向位移如图24所示，最大竖向位移为47mm。 方案1组合工况下雨棚钢结构杆件应力如图25所示，杆件最大应力比为0.84。 雨棚钢结构的一阶周期为4.719，二阶周期为3.833，三阶周期为3.216。 ，天幕的前三阶振动形状分别如图26至图28所示。

04

综上所述

·柱底铰（方案3）方案计算结果在不同工况下位移最小，自振周期最短，结构整体刚度好；

·相比方案二和方案四，13位置的支撑形式对整个结构的受力性能和自振特性影响较大。 13位置的支撑形式建议采用铰接；

·如下图所示，将雨棚屋顶模型带入下部混凝土结构中进行整体分析。 支架11、12、9和10之间的距离较短。 若均设置为铰接，当各单元在地震作用下独立受力时，由于支撑间构件跨度较小，支座位移差影响较大，导致局部构件应力较大且难以控制形变。

△总体计算模型

综合各支撑结构受力性能及自振特性，最终选择方案2作为本工程雨棚钢结构屋面的支撑形式。