【BCW】从雨篷结构事故处理谈幕墙钢结构的概念设计

雨篷结构设计是幕墙钢结构设计最重要内容。但由于雨篷静定结构体系的先天不足，外加设计师理论认识水平与设计经验的限制、施工时的不当行为，经常造成工程事故。这些设计缺陷和工程事故的发生，多是由于对雨篷进行概念设计时认知不足 , 甚至错误所造成的。本文以雨篷工程事故的处理为例，来论述幕墙钢结构概念设计在幕墙钢结构设计 ( 雨篷结构设计 ) 中重要性。指出在雨篷结构概念设计时 支座强度与刚度问题、埋件与节点设计问题 以及 带柱框架式雨篷整体稳定问题 作为 雨篷设计事故三个重灾区 ，是设计师应予以充分重视的关键。为设计师在进行雨篷设计时提供预警性经验和理论知识准备。

雨篷结构设计是幕墙钢结构设计最重要的内容。日常工作中的雨篷设计一共分为三类：

1. 纯悬挑雨篷，适用于前出立面不大于三到四米的小型雨篷；

2. 带拉杆雨篷，适用前出立面不大于六到八米左右的中型雨篷；

3. 带柱框架式雨篷，适用与前出立面超过六米的大型雨篷。

三种不同大小类型雨篷在概念设计时考虑因素重点不尽相同：

1. 纯悬挑雨篷多为每根杆件均悬挑的受弯剪梁构件。从体系层面上来讲，纯悬挑小型雨篷多为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. 带拉杆雨篷则多是主次分明的结构体系，一般来说，和拉杆直接连接的钢梁为主受力构件，以及同连接主受力构件的钢梁形成受力体系，然后次构件均根据雨篷面板尺寸分格简支在主受力构件上。

3. 带柱雨篷则多为框架或刚架体系，在一些特殊条件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。

由于雨篷结构一般为一水平平面结构体系，故其荷载，包括恒、活、风、雪等主要为竖直重力方向，所以设计师在布置结构时的主要思路和精力集中在竖向力的克服上，而忽略了至关重要的结构体系的侧向稳定问题。一般来说，侧向稳定有如下解决思路：

1. 对于纯悬挑雨篷，特别是高烈度地区的纯悬挑雨篷结构有如下三种方案解决办法。一是在边跨或者次边跨设置水平支撑，以水平斜支撑形式来抵抗侧向作用。对于非透明的金属板雨篷，或者包含非透明材料的雨篷时此方案因为不影响雨篷视觉效果而可行性就更大；二增强是悬臂梁的根部节点的水平抗弯能力，使得侧向亦为一抗侧悬臂构件。另外可将悬臂雨篷挑梁同前面通长边梁进行刚接处理，这样就可以形成多跨连续钢柱柱脚的框架式抗侧体系（相当于一个旋转 90 度水平放倒的多跨连续门式刚架），这一作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，具体详见图 01 。

2. 而对于带拉杆雨篷，一般除了仍然可以采用纯悬挑雨篷抗侧的三种解决方案外，设置双斜拉杆 ( 下视图为八字型设置的拉杆 ) ，亦可利用拉杆形成一定的抗侧能力。

3. 而对于带柱框架式雨篷，解决可以采用纯悬挑雨篷的抗侧方案外，尚且可以在竖向剖面上，利用柱和连接柱的主梁形成竖向的框架式抗侧体系。典型的雨篷设计方案如图 01 、图 02 所示。

图01　纯悬挑雨篷抗侧设计方案

如图01所示，纯悬挑雨篷便采用了打水平支撑，加强挑梁根部侧向刚接刚度、挑梁同前边梁刚接三种抗侧处理方案。实际设计中仅采用一种两个方案即可，如玻璃雨篷若水平支撑的存在被认为影响外观效果，则可以去除此支撑斜杆。

图02 典型带拉杆雨篷设计方案

图02为一典型带拉杆雨篷，为浙江衢州某园区行政楼前入口雨篷，该雨篷位于非楼层标高上，没有可以利用的主体结构混凝土框架梁，故需要雨篷结构自身在主体结构混凝土柱之间设置钢结构内主梁。

如图02所示：因拉杆拉力存在巨大的水平分力，经过拉杆下拉点所拉的主梁，会最终传递给此设置在混凝土柱间的钢结构主梁上，所以此主梁除了承受常规的雨篷结构重力作用外，尚且需要抵抗水平的巨大水平力分量，为双向受力构件。从构件截面概念选型上讲，此构件采用矩形截面较为合理，但由于为后埋件，若采用矩形截面，会因矩形截面钢梁同混凝土柱后埋件连接节点造成构造困难，所以本方案采用H型钢截面。这样，不管是此H型钢内主梁同混凝土柱的后埋件连接节点，还是此主梁同挑出的H型钢挑梁和矩形管主梁连接节点构造均会极大的简化，施工也比较容易。而拉杆水平拉力分量则由设置在雨篷根部平行于前立面的支撑体系所承担。当然，此雨篷为铝板雨篷，这是可以利用此支撑体系来抵抗拉杆拉力水平分量之前提和必要条件。另外如图02所示，在边拉杆主梁内侧设置两道垂直前立面方向的水平支撑体系，是为常规抗侧力/概念力而布置。实质上，平行于前立面支撑体系亦能够为雨篷结构提供一定程度抗侧能力。

其实，在结构设计工作中，不管是主体结构设计还是幕墙钢结构设计，支撑都是一个非常有用的结构构件。因为其承受的主要是轴力拉压作用，所以其结构效能往往远远优于承受弯剪作用的梁柱构件。能够灵活地使用支撑，巧妙地布置支撑体系是成长为一个优秀钢结构设计师必须掌握的专业技能之一。而对于专门从事幕墙钢结构设计的设计师来说，这一点则尤为重要。主体结构支撑布置时，因为其结构体系的规整且常用结构体系多比较成熟，支撑布置已经形成固定模式和特征。幕墙钢结构则比较杂乱，碰到的结构经常难以采用标准体系，常常是标准体系的旋转、切割、组合、退化或者异化后的结构模式，这为支撑的合理布置制造了难题。另外幕墙钢结构美观性要求，也为这个问题增加了难度。所有这一切都要求幕墙钢结构设计师在支撑体系的布置时必须做到全面系统的权衡和灵活巧妙的应用。要想做到这一点，首先必须对支撑构件的结构作用有深刻的理解与掌控。

总体上说，支撑的作用主要有三点：

一是形成三角稳定体系，有效地克服结构外力荷载（包括偶然力和概念力），减少结构变形；

二是将荷载有效地传递给幕墙钢结构的主体支撑结构，特别是刚度强度较强的原主体结构部位，同时减少刚度与强度较弱的主体结构支座处的支座力，也就是可有效地改变和分配幕墙钢结构内力传递路径，以期达到最优的结构效果；

三是将结构弯矩作用转换为轴力作用。在某些节点设计时，特别是后埋件抗弯节点设计时，若节点设计困难，则可利用支撑系统将弯剪转弯为相对节点设计简单，容易满足的轴力与剪力作用。

而在构件层面和节点层面的概念设计，雨篷构件受力主要是受弯或者轴力受力为主，所以拉杆主要为圆形截面，而梁主要受弯则采用高宽比不小于2的矩形截面或者窄翼缘H型钢截面。而雨篷柱作为压弯构件，若没有围护板件包起来，由于美观需要则多采用圆形、矩形或方形截面，否则亦可采用宽翼缘H型钢截面。节点设计时，拉杆多采用传力明确且有一定美观效果的销轴式节点（若雨篷拉杆端节点被幕墙包住，无拉杆节点美观性要求时，可采用高强螺栓连接。既增加了节点承载力强度，又减少了施工成本，简化了施工难度），而梁梁节点以及梁柱节点多采用施工方便，连接形式成熟的栓焊节点。

案例分析

1纯悬挑雨篷

1.1纯悬挑雨篷事故处理案例一

工程概况 ：杭州城西某工程大厅入口纯悬挑雨篷。雨篷为外挑2.5米的H型钢梁，钢梁从主框架梁侧面挑出，该框架梁在主体结构一层的楼面梁，但内部为门厅跃层，此梁没有楼面板支撑，且跨度较大(10米)，亦无侧向次梁支撑。

事故经过 ：在悬挑雨篷钢梁与主体框架梁节点刚刚完成焊接，尚未铺设玻璃，在大部分恒载和全部活载尚未施加时便发现悬挑梁的端头下垂100mm以上，于是停工等待设计进行处理。原设计方案如下图03所示：

图03　原雨篷结构方案

事故分析 ：总体分析原因有二，一是所承受悬挑雨篷梁作用的主框架梁太弱，在无楼板及次梁支撑的情况下截面仅为H500X200X8X12，且跨度较大，高达十米。抗扭和抗弯能力亦较弱。使梁整体扭转，挑梁端头下垂。详见图03至图05。原因二是挑梁同主框架梁连接节点作法太弱，直接焊接于框架梁8mm厚腹板的中部。腹板局部受弯屈曲变形，导致挑梁端头下垂，详见图05。

图04　推荐处理结构方案

处理方案 ：见图04，此方案的主要思想是把自由框架长梁所承受的扭弯剪作用中的扭矩去掉，转换为H型框架梁承载能力较强的纯弯剪作用。主要方法是通过增加于柱(箱形钢柱)前皮的口300X100X8矩形管和框架主梁一体形成新的承力体系。使悬挑梁形成双支点伸臂梁体系。而作为挑出悬挑支点的H型框架梁和增加的矩形管梁则主要承受纯弯剪作用。

图05　雨篷挑梁根部节点方案

幕墙立面同柱外皮有200mm空间，此口300X100X8矩形管完全可以利用此空间而不至于影响效果。另外此矩形管和H形主框架梁之间可以通过加直杆（在不另外加直杆时，可把此悬梁的根部一段概念上认为为此直杆），或者斜杆形成框架或者桁架抗风/抗侧体系，有效避免了10米长主框架梁弱轴方向承载风荷载作用。而原方案的扭距则转换为由原主体结构H型主框架钢梁和增加的矩形管以及挑梁组合的空腹桁架整体所承担。而单构件不再受扭转作用，而仅承受弯剪作用，可以有效发挥构件的力学性能优势。

在作者提出处理方案前相关方曾考虑过另外处理方案及从柱的侧面向次边悬挑梁端头拉一根双向斜拉杆。此方案是最容易被想到的常规的处理方案，但考虑到以下五条原因，而没有采用：

一、建筑上双向斜拉杆影响原建筑师设计意图，改变了原悬纯悬挑的风格效果。现实上这样加的拉杆也的确有碍观感，严重影响建筑美观。

二、结构上由于缺少一根在悬挑梁端头可以把所有悬挑梁拉通的主边梁，此方案拉杆的设置仅对拉杆直接作用的两根悬挑梁有效，对其它悬挑梁作用效果有限。

三、拉杆的设置会在其所拉的悬挑雨篷梁内产生一个轴压力作用，最终传递至10米长H500X200X8X12主框架梁上且为其弱轴方向承受，由于其为没有楼面板支撑的自由梁，这个拉杆的水平分力对其极为不利。

四、拉杆的加工和施工量远超过方案一加方钢管的方案。

五、理论上讲在已经形成结构状态的静定或者超静定体系上外加由螺栓或者销轴连接的拉杆，若不加拉杆绷紧装置，容易使拉杆产生因安装间隙而产生的松动，使拉杆完全不起作用或者只部分起作用，使得拉杆效能大打折扣。

1.2纯悬挑雨篷事故处理案例二

工程概况与事故经过 ：杭州江干区某工程，如图06及图07所示为一悬挑长度四米二雨篷，开始为预埋埋件，后因为幕墙设计修改，原预埋件因为位置偏差无法使用，现场施工方把埋件锚筋按等直径原则修改为化学锚栓后埋件。但在局部施工支撑拆除便出现后埋件处混凝土出现拉脱、松动、裂缝等破坏现象，现在需要对雨篷结构进行补强处理。

图06 雨篷原结构平面图

图07 雨篷原结构剖面图及补强方案

图08　节点补强做法

事故分析 ：本例由于原预埋件埋置偏差使得预埋件无法使用，现场施工部门未经设计人员认可，在等直径的原则下采用后锚栓把原预埋件替换为后埋件，这是事故发生的最直接原因。事实上，预埋件和后埋件受力机制、破坏形式、破坏机理均存在巨大差异，预埋件属于深锚固受力机制，而后埋件锚栓则属于浅锚固受力机制。后埋件的承载力远低于预埋件，其设计原则，设计方法也有巨大不同，仅仅简单进行等直径替换是不可取的，这是问题的本质。更进一步讨论，实质上，后埋件锚栓受力与破坏原理，设计原理一直是设计师一个比较难以把握的难点，仅仅部分有相当理论水平的实践经验的设计师可以在设计中对锚栓进行灵活应用与配置。故掌握后埋件设计原理已成为幕墙钢结构设计师提高设计水平之当务之急。

工程事故处理与补强设计过程，雨篷加固主要有以下四点内容：

一、利用平面图所示的两个石材装饰柱内部空间做A-A剖面所示的拉杆和撑杆各一个，减少此剖面雨篷悬挑梁的出挑长度，如图07所示。使得处理前此悬挑梁根部后埋件受弯剪，变为上中下三层埋件组合受弯（单埋件仅受拉/压剪作用），消除埋件计算中最难保证、最为困难的弯距，巨大地改善了后埋件受力状况。

二、利用装饰次杆和主雨篷悬梁组合形成悬挑桁架（如图中A-A剖面）。在位于装饰柱处且经过拉杆和撑杆加强的挑梁处，装饰次杆在雨篷挑梁上部且平行于雨篷梁，中间增加斜腹杆，使二者共同形成桁架，有效增加此梁整体刚度。同时由于装饰次杆位于上弦杆，为受拉杆，故虽其截面较小，但不影响桁架整体受力。

三、雨篷的最端边梁亦类似A-A剖面的作法进行处理，形成组合桁架受力，这使得整个雨篷的受力体系彻底改变。新受力体系为：装饰柱处带拉杆的悬挑桁架和最前端边桁架形成主受力体系，其它原悬挑梁受力模式则变为两端简支形式（一端简支在原主体框架边梁上，一端简支在雨篷前端胜过加固的雨篷前桁架边梁上）。有效地消除原悬挑根部埋件弯矩，同时降低一半剪力。

四、虽然经过前面三个步骤处理后，原悬挑梁根部埋件与结构体系便可满足受力要求，不需要任何处理即可。但出于安全考虑，此其它梁根部后埋件亦经过加固处理，使得其仍可以满足悬挑梁的弯剪作用。处理方案如图08所示，在边梁顶部增加后埋件，且同原埋件锚板焊接为一体。利用顶部增加的锚栓和对穿螺杆，有效地克服悬挑梁上部拉力所产生的针对后增补后埋件整体剪力。

经过以上四步处理后，一个本来存在严重安全隐患的雨篷刚架变成一个安全余量较大，且多道（两道）设防雨篷结构体系。投入使用五年来，效果良好，未发现任何问题。

小结与标准条款

此两例雨篷设计缺陷和处理方案告诉我们，纯悬挑雨篷因为系标准静定结构体系，仅存在一道结构设防手段，体系层面安全余度较小，也是这类雨篷发生事故较多的重要原因。而且悬挑梁根部节点刚度（例一）和强度（例二）问题则是影响这类雨篷结构安全的焦点问题。而对于幕墙钢结构的事故处理以及最初设计本身必须因地制宜，灵活变通，根据现场实际情况采用合理有效的解决方案，在不影响原幕墙设计效果和安全的条件下，充分利用一些空间（例一为幕墙后同主体结构之间空间，例二为立面装饰柱空间）形成稳固结构体系，利用次构件的有利作用来加强雨篷主构件的结构特性。

以下是在作者编制的《幕墙钢结构设计标准》 ZNMQB102/T-2015中的相关条款：

6.1.4预埋形式的纯悬挑梁的挑出长度不宜超过4米，不应超过5米。后埋件形式的纯悬挑雨篷悬挑梁挑出长度不宜超过2米，不应超过3米。当采用桁架式悬挑方案时，可适当增加悬挑长度，但不应大于单梁悬挑长度的50%。

6.1.5对于被非透明材料所包的悬挑梁端头同悬挑梁正交的边梁应通长设置，不应被悬挑梁断开。对于可见的有美观要求的边梁则宜通长设置。

6.1.6高设防烈度区（设防烈度不小于七度）的纯悬挑雨篷应在不影响美观非透明材料带内设置支撑，支撑的选型与布置方式宜满足本标准5.3.1、5.3.2、5.3.3、5.3.4条要求。

6.1.7高设防烈度区的纯悬挑雨篷若因幕墙效果原因无法设置水平支撑时，除应加强挑梁根部节点的侧向抗弯能力外，尚应加强主悬挑梁同端头边梁以内内部分隔次杆之间的连接刚度，以形成框架体式的抗侧力体系。

论文来源：

符旭晨

浙江中南幕墙设计研究院

《从雨篷结构事故处理谈幕墙钢结构的概念设计》