一种L型雨篷刚架

一种 L型雨篷刚架

潘思宇

西北工业大学附属中学

摘要：雨篷是设置在建筑物出入口上部用于遮雨的装置。本文分析了现有各种形式雨篷结构的受力性能和优缺点，创造性提出了一种全新的雨篷结构形式：L型雨篷刚架，克服了现有各种雨篷结构的缺点，并已成功的应用于实际工程中。

关键词：悬挑、斜杆、L型刚架、雨篷、支座、连接件

目录

1. 技术背景

2. 纯悬挑式雨篷

1. 纯悬挑式雨篷简介

2. 纯悬挑式雨篷受力分析

3. 纯悬挑式雨篷优缺点

3. 斜杆式雨篷

1、斜杆式雨篷简介

2、斜杆式雨篷受力分析

3、斜杆式雨篷优缺点

4. L型雨篷刚架

1. 拐杖的启发

2. L型雨篷刚架的受力分析

3. L型雨篷刚架的特点

五、总结

一、技术背景

雨篷是设置在建筑物出入口上部用于遮雨的装置。目前按照雨篷与主体结构的连接形式，雨篷结构可以分为两种类型：纯悬挑式雨篷（也可称为一字型雨篷）、斜杆式雨篷（可细分为上拉压杆式和上下拉杆式）。

雨篷因为设置在建筑物的出入口，是建筑门面的重要组成部分，因此雨篷除了遮雨的功能，还有装饰的功能。为了达到轻盈通透的效果，雨篷多采用钢结构，与建筑主体往往通过连接件相连。此外，雨篷由于突出建筑主体，如果和主体建筑一起施工就会影响施工电梯的布置、外墙脚手架的搭建等诸多问题。因此绝大多数雨篷都是等主体结构施工完成以后再安装。与主体结构的连接有的是设置预埋件，更多的则是采用锚栓。因为很多情况下雨篷的形式在主体建筑开始施工的时候往往还没有确定下来，没有办法在施工主体的时候设置预埋件。

雨篷的面板主要有玻璃、铝板、压型钢板等。雨篷承受的荷载分为永久荷载和可变荷载。永久荷载包括面板和雨篷结构的自重。可变荷载有检修荷载、风荷载、雪荷载。下雪的时候不可能检修，因此规范规定检修荷载和雪荷载不同时作用，取两者大值和风荷载组合即可。其中风荷载较为特殊，既会产生向下的压力也会产生向上的吸力。因此雨篷的设计要考虑风压力+永久荷载+活荷载和风吸力+永久荷载两种工况组合。

二、纯悬挑式雨篷

1. 纯悬挑式雨篷十分简单、轻盈，是一种最常见的雨篷形式。

2、纯悬挑式雨篷受力分析

纯悬挑式雨篷的结构平面图：

图1 纯悬挑式雨篷结构平面图

注：XTL为悬挑梁，FBL为封边梁，以下均同。

图2 纯悬挑式雨篷剖面图

纯悬挑式雨篷的受力就是纯悬挑梁，图3是纯悬挑式雨篷的计算简图：

图3 纯悬挑式雨篷计算简图

其中，q为永久荷载Gk、可变荷载Qk、风荷载Wk组合之后的荷载设计值。

纯悬挑梁的内力分析十分简单，图4是弯矩图，弯矩 ,

图4 纯悬挑雨篷式弯矩图

图5是剪力图，纯悬挑梁的剪力V=qL，V与L成正比

图5 纯悬挑雨篷剪力图

图6是纯悬挑雨篷的支座受力图，纯悬挑雨篷只有一个支座与主体结构相连，因此存在支座受力过于集中问题。

图6 支座受力图

3、纯悬挑式雨篷的优缺点

纯悬挑式雨篷制作简单、安装方便，雨篷梁上有面板覆盖不存在淋雨引起的锈蚀问题；但当雨篷的悬挑长度过大时，支座弯矩与悬挑长度的平方成正比，连接件要承受很大的弯矩，而在弯矩作用下只有最外排的锚栓才能充分发挥其力学性能，因此弯矩过大往往会造成锚筋或锚栓无法布置的问题。同时弯矩过大也会给主体结构带来过大的扭矩造成主体结构无法承受或者需要加固。因此纯悬挑式雨篷的悬挑长度一般不超过3米。

三、斜杆式雨篷

1. 斜杆式雨篷主要靠斜杆受力，是一种十分常见的雨篷形式。

斜杆式雨篷分为上拉压杆式和上下拉杆式两种。但上拉压杆式雨篷在风吸力下会受压，要保证受压时的稳定必须将斜杆加粗，这会影响雨篷轻盈的效果。而上下斜拉杆式雨篷斜杆在风压力和风吸力下均只受拉，因此不存在失稳的问题因而可以采用较小斜杆截面，但会让雨篷过于复杂，尤其是下斜拉杆严重影响雨篷的美观和净高。因此，上下斜拉杆式雨篷一般很少采用。下文斜杆式雨篷均指上拉压杆式雨篷。

2. 斜杆式雨篷的受力分析

图7 斜杆式雨篷结构平面图

注：YPL为雨篷梁，以下均同。

θ

图8 斜杆式雨篷立面

图9 斜杆式雨篷计算简图

斜杆式雨篷是静定结构，很容易通过平衡条件求解内力。

图10 雨篷梁隔离体受力

取雨篷梁为隔离体（见图9），并对雨篷梁左支座取矩

得

由力平衡有

_得

图11 斜杆式雨篷梁弯矩图

从雨篷梁的弯矩图（图10）可知，要想雨篷梁的受力最合理、截面最经济，必须有

，而

则有

得 ，一般取 。

当 时，

图12 斜杆式雨篷梁剪力图

当 时

均不足纯悬挑雨篷梁弯矩 的十分之一。 均不足纯悬挑雨篷梁剪力 的一半。因此斜杆式雨篷的受力更合理、构件更小巧、造价更低廉。

图12 斜杆式雨篷支座受力图

3. 斜杆式雨篷的优缺点

斜杆式雨篷主要靠斜杆承受轴力来抵抗雨篷的荷载，受力直接、经济合理，而且斜杆式雨篷有两处与主体结构连接，雨篷梁端支座和斜杆端支座反力只有剪力和轴力，弯矩均为0，锚栓的性能可以充分发挥，因此连接件的设计很容易满足规范。而支座弯矩为0也不会给主体结构带来附加的扭矩。因此，斜杆式雨篷可以用于大悬挑雨篷。

斜杆式雨篷为了安全必须连接在主体结构上，因此斜杆必须穿透主体建筑外墙，会破坏主体建筑外墙（尤其是幕墙）的完整性，给外墙的防水、保温造成困难；斜杆与雨篷梁的连接件会影响雨篷面板的防水和安装；斜杆及连接件裸露在室外，须经受日晒雨淋的侵蚀，往往时间一长就会发生锈蚀。

四、L型雨篷刚架

1. 拐杖的启发

既然纯悬挑式雨篷只能用于悬挑长度不大的雨篷，斜杆式雨篷又存在美观、外墙渗漏和斜杆锈蚀等问题，那有没有一种方法既可以用于大悬挑雨篷，又可以解决锈蚀、渗漏、美观问题？

这个问题一直困扰我许久，直到最近我因为左脚囊肿做了一个小手术，暂时性行走不方便，就网购了一根拐杖。当我拄着这根拐杖时，我有了答案。

下面是拐杖的受力图和弯矩图

拐杖的受力图 拐杖的弯矩图

拐杖的平衡方程

我用的这个拐杖是T型刚架，如果不断减小L1一直到0，则T型拐杖就变成L型刚架。利用刚架可以传递弯矩的特性，将雨篷做成L型刚架。L型雨篷刚架由雨篷横梁HL和雨篷立柱LZ组成，雨篷横梁一端与雨篷立柱刚接。L型雨篷刚架在雨篷立柱的顶部和底部均与主体结构连接，将雨篷梁的弯矩转变为L型刚架上、下支座的拉力和压力。减小了支座受力，使L型刚架可以用于悬挑较大的雨篷。

另一方面由于没有了斜杆，不用穿透主体建筑外墙，因而不会破坏外墙的完整性和防水保温；而且整个L型刚架外面都有主体外墙和雨篷面板的覆盖，不存在淋雨所产生的锈蚀问题。

再就是L型雨篷刚架没有了斜杆，不会对主体建筑的外观造成任何不利影响。

2、L型雨篷刚架受力分析

图13 L型雨篷刚架结构平面图

图14 L型雨篷刚架立面图

图15 L型刚架的计算简图

L型刚架也是静定结构，也可以通过平衡条件求解内力。

对横梁左端支座取矩

，得

再由力平衡有

则

，

支座反力 ，

图16 L型刚架的弯矩图

图17 L型刚架的剪力图

图18 L型刚架的支座反力图

3、L型雨篷刚架的特点

L型雨篷刚架横梁的弯矩、剪力均与纯悬挑雨篷相同，但它与主体结构的连接与斜杆式雨篷类似，它的支座受力也同斜杆式雨篷相似，均只有剪力和轴力，弯矩为0极大的减小了连接件的受力和对主体结构的影响。因此，L型雨篷刚架可以适用于较大跨度雨篷，尤其是当业主对雨篷的外观和耐久性有较高要求时。

从L型刚架的弯矩图可以看出来，L型刚架横梁和立柱都可以采用变截面以节省钢材，也可以让雨篷更加轻盈。还可以将L型刚架的立柱由在横梁的上方改到横梁的下方，形成倒L型刚架。（如图19）进一步还可以将L型刚架的横梁改到立柱的中部改为T型刚架（如图20），一样能达到安全、美观、耐久的要求。

图19 倒L型雨篷刚架

图20 T型雨篷刚架

五、总结：

L型雨篷刚架创造了一种新的雨篷结构形式，既克服了纯悬挑式雨篷在大悬挑情况下支座弯矩太大、对主体结构扭矩太大的问题，也避免了斜杆式雨篷破坏主体外墙和雨篷面板的整体性、美观性以及雨篷耐久性等问题，适用于对效果、耐久性等有较高要求的大跨度雨篷。根据工程的具体情况，还可以采用倒L型雨篷刚架、T型雨篷刚架。

参考文献：

1. 国家标准图《钢雨棚（一）》 07SG528-1.北京：中国计划出版社2008.

2. 中华人民共和国国家标准.《建筑结构荷载规范》 GB50009-2012.北京：中国建筑工业出版社，2012.

3. 朱慈勉，张伟平.主编.《结构力学》.北京：高等教育出版社，2016.

4. 喜力得锚栓计算软件，Hilti PROFIS Anchor.

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