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大跨度仓储钢结构雨篷在现代建筑工程的应用

发布时间:2020-01-06 08:47浏览次数:
现今,仓储雨篷是建筑中不可缺少的构件。 随着中国钢材产量的大幅度提高,钢结构设计建造技术的不断进步,钢结构雨篷以其强度高,自重小,抗震性、抗倾覆能力强等特点越来越受关注。 钢结构雨篷既能较好的满足雨篷的使用功能,又能对建筑物起到装饰作用,使建筑整体和周围环境相协调。 本文将针对大跨度钢结构雨篷的性能,重点探讨车站站台雨篷和公共建筑大悬挑雨篷的结构设计和材料选择,并提出钢结构雨篷的发展方向。
关键词: 钢结构; 仓储站台雨篷; 推拉大悬挑式雨篷
 
引言
现代建筑工程中, 雨篷是建筑物必不可少的辅助构件,一般设置在人员流动较大的建筑物出入口或者作为顶层阳台用来遮挡雨雪、增加使用面积,或防止高空坠落物砸落。 作为建筑的防护构件,在民用建筑中,传统的混凝土结构雨篷应用较为广泛。 随着我国现阶段建筑业的飞速发展,主体建筑造型日新月异,尤其是大型的公共建筑,对雨篷的设计及造型也越来越关注。 公共建筑中,雨篷的相对位置较低,不仅要具备遮阳、避雨的功能,而且在保证结构的安全性和耐久性的前提下还需要体现建筑规模及空间文化理性精神。 在实际工程中, 受到主体建筑物的外形要求以及实际使用需要,雨篷的跨度较大,传统钢筋混凝土结构的平板型已无法满足需要,实际工程中需要的是造型丰富多彩、个性鲜明,多种材料制作而成的集实用性和观赏性的艺术品,有些雨篷已经成为许多建筑物的一大亮点。 现代建筑工程中的雨篷对美化城乡建筑、优化环境、改善人们的生活和工作条件,都具有重要
作用.
 
2 钢结构雨篷
 
从 20 世纪 50 年代开始, 随着中国钢材产量大幅度提高,钢结构以其优良的性能,逐渐出现在大跨度公共建筑、工业厂房、桥梁、高耸建筑的建造当中。 仓储钢结构正在逐渐取代传统的以钢筋混凝土、砖混结构等为主的建筑。 近些年,建筑开发商又把目光投向了钢结构仓储雨篷的开发和应用上。 钢结构雨篷通过工厂化加工制作而成,经过简单的安装,焊接成为建筑物的一部分。 虽然雨篷在建筑物中所占比重较小,但作为出入口的遮挡构件, 再加上大跨度雨篷的结构设计和施工技术仍不成熟, 在满足必要功能需求的同时其安全性也不容忽视[3]。
钢结构雨篷与钢筋混凝土结构雨篷相比, 具有强度高、自重轻、结构形式灵活的特点,通过合理的钢结构设计,可以使结构安全,覆盖面积较大的雨篷得以实现,较为典型的是车站站台雨篷和大悬挑钢结构雨篷[4]。 在施工过程中钢结构雨篷的质量容易控制,雨篷多以工厂预制为主,现场装配化程度高,维护与装拆便捷,减少了高空作业,缩短了施工工期。 钢结构雨篷体系的抗震性能、抗倾覆能力明显优于传统的钢筋混凝土体系。 同时钢结构具有可再造性,钢材可重复利用,减少了建筑垃圾。 随着大跨度钢结构雨篷越来越受到建筑开发商的重视,相应地较为安全的设计结构和构造设施的配置也逐渐完善。 钢结构雨篷产业化的发展,较好地体现了现代建筑的性质和特性,使得建筑整体和周围环境协调统一,有些更成为了现代建筑的点睛之笔。
 
3 典型雨篷应用
 
目前,民用建筑中的钢结构雨篷,设计和施工相对较为简单,主要以现场钢结构与主体的焊接为主。 目前,随着大跨度空间钢结构在大型建筑物中的应用越来越广泛,仓储钢结构雨篷以其自身的优势,发展迅速,并很快占有一定的市场地位。但是,大跨度钢结构雨篷,由于跨度较大再加上现阶段设计、施工技术的局限,无法完全控制其结构上的各种荷载及其可能对结构产生的各种不利影响, 包括大面积的屋面风荷载、温度变化荷载、雪荷载、堆积和不均匀分布等[5]。 对于此类雨篷,若设计或施工不好很可能垮塌发生事故,甚至破坏建筑物的主体结构。 再者由于是车站等公共建筑,需要综合考虑规划、实用、美观等因素的影响和制约,大跨度雨篷的结构设计至关重要[3]。大跨度钢结构雨篷类型按与主体的连接方式分为钢结构纯悬挑式雨篷、钢结构上拉压杆式雨篷和钢结构上下拉杆式三种类型,每种类型分别有许多不同的形式。 本文将针对车站的站台雨篷和公共建筑的出入口大悬挑雨篷设计应用,简要探讨结构设计形式、与主体结构的施工情况、雨篷材料的选用等问题。
 
3.1站台雨篷
 
我国铁路建设正进入快速发展期,到 2012 年,全国要新建火车站 1066 座,其中 3 万平方米以上的有 50~60 座,还有800 余座有待于建设。 在全国将要建成的六大枢纽性客运中心和十大区域性客运中心,其中有一批要建成百年不朽的客站[6]。 火车站站台雨篷是火车站建筑的重要部分,在实际使用过程中不仅要求安全可靠,而且要美观轻巧。站台雨篷按形式可分为整体式和分离式。 整体式站台雨篷的轨道两侧的雨篷连接在一起, 即钢结构骨架和雨篷的上部遮盖材料整体连接,整个站台是一个完整的敞开式大空间;分离式站台雨篷与整体式相比,沿轨道正上方没有雨篷遮盖,整个车站透风性较好[7]。 实验表明,整体式站台优于大跨度的连接,雨篷抗风、抗倾覆能力不如分离式雨篷。随着 2004 年 4 月中国首个无站台柱雨篷(北京火车站)的成功建成,大跨度钢结构无站台柱雨棚得到业内与社会公众的普遍认可, 是火车站建设中雨篷设计的常用结构体系。
无站台钢结构柱雨篷改变了常规站台上设雨篷柱的做法,而是将雨篷柱设在两条轨道的中间,在保证了雨篷安全性的前提下,为站台提供了更多空间以容纳较大的人流。 无站台柱雨篷一般采用平面钢结构, 很少采用空间结构; 柱距约为18m~33m,面板跨度一般在 45m~66m 之间;结构敞开,可将整个火车站台全部覆盖,面积最多可达到 20 万平方米。 雨篷在设计过程中结构的安全性尤为重要,同时还需要特别考虑火车站运行与雨篷建设的互相影响[8~10]。铁路无站台柱雨篷钢结构多采用断面为三角形的大跨度空间管桁架结构,纵、横向桁架交汇的节点连接采取管与管相贯焊接。 在火车站实际工程中,考虑到主体建筑条件限制及建筑要求的不同,不同类型的建筑物需要设计不同的钢结构推拉雨篷。 北京火车站采用连续拱形桁架结构,跨度 46m,柱距 33m,覆盖面积 7.9 万平方米;北京西站采用上弦双杆平面拱与下弦悬索组合的张弦拱结构,南向北共 5 跨,覆盖面积8.1 万平方米; 北京北站采用张弦拱架结构, 最大跨度达106.5m,总覆盖面积为 7 万平方米;覆盖面积最广的是采用内凹式张弦拱结构的广州新站无站台柱雨篷, 有 20 万平方米[9~11]。
北京南站雨篷钢结构采用了 A 形塔架支撑体系、悬垂梁结构等多项高新技术,这些先进技术均为国内钢结构无站台柱雨篷的首创。 雨篷的悬垂主梁沿东西方向布置,悬垂下弯的弧形工字钢梁分段拼接而成,具有体形复杂、质量轻、柔性大、阻尼小等特点[6]。 工字钢梁最大跨度约 66m,其受力机理不同于常规的钢梁结构。 由于雨篷跨度较大,受自重、风荷载、雪荷载等复杂的作用,工字钢梁的抗弯刚度不能满足结构的需要,而应充分提高悬垂梁工字钢的抗拉刚度。 同时为了解决结构大跨度梁的计算长度和悬垂梁端部给柱子带来的较大水平拉力,车站 A 字形塔架作为结构柱,能够有效提高其整体抗弯能力,并在悬挂于 A 型柱的劲性悬索向下设置平衡斜拉索,增加平面结构的稳定性和结构的承载效率[11]。为符合高要求的使用需要,北京南站无站台柱雨篷具备良好的抗震效果,是一种经济、可靠、高效、美观的大跨度结构,在一定程度上推动着我国火车站站台雨篷向高效、高品质的大跨度空间结构体系发展。 图 1 为北京南站的结构布置简图[12]。
 
3.2大悬挑雨篷
 
在公共建筑中,大悬挑钢结构仓储雨篷的应用较为广泛。 随着经济大发展,为顺应大型公共建筑的使用,超长的悬挑结构雨篷越来越普遍。 但是由于悬挑的结构形式,其处于风荷载作用时稳定性相对其他结构的雨篷较差, 雨篷覆面板的上、下表面均要受到风的作用力,即实际受到上、下表面的风压合力的作用,是一种典型的风敏感结构。 尤其是在强风地大悬挑雨篷的设计过程中,重点需要综合考虑雨篷的自重,受到的风荷载、雪荷载以及其他复杂的并无法预知的荷
载。 除了上述的风力作用外,雨篷自身的重量也是设计中的一大挑战。 大悬挑雨篷结构中破坏形式最为严重和最为危险
的是挑梁倾覆破坏。 挑梁倾覆破坏是挑梁下砌体局部受压破坏和挑梁本身的破坏[16],雨篷梁两端埋入砌体愈长,压在梁上的砌体重量就越大,则抵抗倾覆的能力愈强。 在结构设计过程中需要设计多种结构模型, 经过大量缜密的计算分析,反复试验和研讨论证,不断的调整优化方案,得出最安全、最科学的设计结构。 本文针对六种较为常见的大悬挑雨篷结构体系,以表 1[14]的形式总结了各种雨篷设计所应考虑的荷载、效应等条件,分析了每种类型的雨篷所适应的主体情况,提出了各杆件的控制因素与关键节点设计方式。综合考虑结构的自重、安全性、美观性等因素,悬挑钢结构雨篷由钢框架、斜拉杆、水平撑杆、斜撑杆和装饰钢管等几部分构成, 而其上多覆盖供采光以及防雨雪防尘用的玻璃、铝板或两者结合。 随着高科技与现代优质材料的发展,钢材
和覆面材料既要保证雨篷的实际使用效果,又要考虑到各项受力等因素,一些高强、轻质、高性能的材料开始受到开发商和设计师的青睐。 特别是型钢,与普通钢结构相比,具有自重较轻、材质均匀、强度高、整体稳定性和局部稳定性好、工业化程度高等特点[2],是充当雨篷主要骨架结构的首选材料。 对于雨篷的覆面材料,相对来说质量轻、柔度大、自振频率低的材料也越来越受关注。
 
4 推拉雨篷覆面材料
 
雨篷覆面材料的选择也是雨篷设计的关键。 在公共建筑中,透明的全采光玻璃以其较好的采光能力、实用性、装饰性、平整性等优点成为了常见的雨篷覆面材料。 玻璃面板通过简单的框格、拉杆、绳索等构件固定成雨篷的一部分。 在我国, 建筑师们广泛采用点式玻璃雨篷来实现自己的设计风格,即采用钢结构作为支撑受力体系,钢结构上伸出钢爪将玻璃面板固定在悬挑玻璃肋上。 在设计中为减小玻璃肋的受力,在玻璃肋尾部与钢夹板连接位置将用钢爪连接,玻璃板面荷载可以通过钢爪直接传递给钢结构。 传统的点式玻璃雨篷以钢通、圆钢管、变截面的焊接工字钢、变截面的接 T 形钢为其支撑体系。 为了显现点式玻璃雨篷通透、轻巧、精致及极具现代感的特点,有些悬挑较小的雨篷,可以直接采用玻璃肋做为支撑体系。 但用玻璃作为结构的支撑体系,板面的强度及局部承压能力相对较差,连接节点的构造也较难处理[17,18]。
目前,随着玻璃板面雨篷的大量使用,许多建筑追赶潮流,在没有综合考虑建筑的样式、所需雨篷的特点及用途的情况下盲目的采用玻璃雨篷。 同时缺乏对雨篷设计、施工技术的要求、玻璃质量衡量等问题的认识,把玻璃雨篷看得太过简单,不规范的设计施工、劣质材料的选择都将使玻璃破碎,危及公共安全。 玻璃面板在安装过程中需要调整到标准的横平、竖直、面平,不得超过规定的偏差。 表 2 为玻璃覆面施工过程中允许偏差的尺寸[17]。
 
5 结语
 
目前,我国的民用建筑中,雨篷仍多采用混凝土结构,虽然钢结构雨篷有诸多优点,但使用尚未普及。 制约我国钢结构雨篷发展的主要因素有:钢结构的直接造价高于钢筋混凝土结构;钢结构的设计、施工的规范并不明确,技术尚未成熟;钢结构雨篷未形成工厂化制作产业等。 因此政府及市场应出台完善的钢结构雨篷的设计施工规范,大力发展钢结构雨篷并形成产业化。 同时在满足规范规定的前提下,在安全合理的基础上,对钢结构雨篷进行优化设计,减少用钢量,从而降低工程造价, 对进一步推动钢结构雨篷的发展有重要的现实意义。随着钢结构雨篷在公共建筑中的广泛应用,雨篷面板材料也随之更新,并不断向建筑的节能减排发展。 由于车站等公建建筑内用于采暖、制冷、照明等电力电气设备系统的运行需要大量的电力供应, 公共建筑的雨篷相对跨度较大,通常受阳光直射,因此将太阳能电池板利用相应的技术与钢框架连接,形成雨篷的覆面结构,通过太阳能光电技术将太阳能转化成电能以供建筑使用。 在实际工程中,进一步深化了太阳能板的造型和节点设计,使板面与钢结构之间衔接更平顺,过渡更自然,满足了建筑外观和绿色节能的要求[19]。

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