某办公楼群项目位于广州市琶洲地区，在4栋高层塔楼之间的中央庭院的上部覆盖玻璃雨篷(图1)，营造出一个全天候的半开敞休闲空间。玻璃雨篷平面约呈十字形，顶部为自由曲面，建筑面积约为3 000m²，东西方向总长约104m，南北方向总长约73m，最高点标高约29.3m，最低点标高约23.5m。玻璃雨篷最大跨度为36m，最小跨度为9m。雨篷平面图如图2所示。

　　 玻璃雨篷骨架采用单层网格钢结构体系，上部覆盖夹胶安全玻璃。平面投影以标准方格为基本单元，竖向依缓和的曲率起拱，中部呈上凸状，构成优雅理性的建筑体型，玻璃雨篷计算模型如图3所示。雨篷镶嵌在4栋塔楼之间，如何解决雨篷结构与周边塔楼的边界协调成为本项目结构设计成败的关键。

　　 雨篷单层网格结构的标准网格平面投影尺寸为2.25m×2.25m，主要构件均为焊接箱型钢构件，截面尺寸为□400×125×(8～30)(高×宽×壁厚)。为了保证单层网格的局部稳定性，每个网格之间设置斜向撑杆。斜向撑杆的截面为□150×150×6(高×宽×壁厚)。大部分构件的材质为Q345B，局部采用Q420B。雨篷的跨度分别为36,17.1,9m。为了减少支座的水平变形，在跨度较大处设置6根预应力拉索，拉索直径为57，采用带GALFAN涂层的拉索(高钒索)，索体极限抗拉强度为1 670MPa。

　　 玻璃雨篷周边分别支承在4栋独立的塔楼。在风荷载和地震作用下，4栋塔楼将发生各自独立的水平位移，如两方向的平动或平面内的扭转。若玻璃雨篷与塔楼采用强连接节点(如固定铰支座)相互连接，则玻璃雨篷将受到无法阻挡的挤压或拉伸，其安全性受到损害。

　　 为了减少玻璃与周边塔楼的相互影响，基于本项目需求研发了一种具有“相对隔离”和“保险丝”作用的弱连接支承节点———U形钢板支承节点^[1]。

　　 U形钢板支承节点主要由U形钢板支座、垫层、长条安装孔和吊杆组成，如图4所示。U形钢板支座能够传递横向水平荷载并适应纵向水平位移差，吊杆则传递竖向荷载。单层网格结构通过周边64根吊杆悬挂于四周的钢筋混凝土结构伸出的牛腿上，使钢结构的竖向荷载传递至周边塔楼的钢筋混凝土结构，吊杆间距为5m，吊杆直径为40或50，吊杆材质为Q650B的钢拉杆。玻璃雨篷与塔楼之间设置由不锈钢钢板组成的U形钢板支座，间距2.25m。U形钢板支座与玻璃雨篷连接的翼缘上沿轴线方向设有长条安装孔，并通过螺栓或锚栓在长条安装孔处与玻璃雨篷连接，中间设置聚四氟乙烯滑动层，释放沿U形钢板轴线方向的水平剪力及位移;U形钢板另一侧翼缘通过螺栓或锚栓与多塔楼结构连接。长条安装孔的形状尺寸将根据结构的实际位移量确定。

　　 结合建筑天沟的需求，本项目U形钢板的宽度b为250mm，高度h为500mm，厚度t为12mm。U形钢板支承节点如图4所示。

　　 采用澳大利亚通用有限元计算软件Strand7，通过整体建模方式对雨篷结构及U形钢板支座进行模拟计算分析(图3(c))。其中雨篷结构的主要构件采用2节点beam单元，拉索及吊杆采用只考虑轴向拉力的桁架杆单元，U形钢板采用三维壳单元。雨篷的荷载通过导荷载面单元作用于构件处。与周边塔楼相连接的吊杆及U形钢板的一端或一侧设置固定支座，U形钢板另一侧采用rigid-link单元与雨篷构件相连接，并释放纵向约束。

　　 由于U形钢板的刚度可以设计得相对较小，故可以充当一种弱连接的连接形式，为玻璃雨篷和多塔楼结构的水平变形差提供足够的空间，一方面对玻璃雨篷起到“相对隔离”的作用，另一方面也尽量减少了对主体结构的影响。当U形钢板变形大到某一程度(即建筑物之间的相对位移变大到某一数值)后，U形钢板将可能进入弹塑性状态，通过U形钢板的弹塑性变形产生的消能减震作用，为连体结构和多塔楼结构提供足够的变形空间以保护玻璃雨篷和多塔楼结构，起到了“保险丝”的作用。

　　 根据主体结构的初步计算，在罕遇地震作用下，周边4栋超高层塔楼在玻璃雨篷标高处的位移最大值为90mm。由于篇幅有限，仅列出当4栋塔楼相互靠近，对玻璃雨篷产生挤压作用时(即考虑每个U形钢板支承节点支座发生90mm横向位移这一单独工况)，玻璃雨篷及U形钢板支承节点的受力情况。

　　 在玻璃雨篷平面阴角位置附近，主体结构方钢管的最大纤维应力为35.7MPa，其余位置处方钢管的最大纤维应力为23.2MPa，其中95%的方钢管的最大纤维应力不大于15MPa，见图5，均远远小于方钢管的设计强度295MPa(钢材Q345B)及355MPa(平面4个阴角位置附近均采用钢材Q420B)。

　　 单个U形钢板支座的水平反力，即塔楼对玻璃雨篷的水平推力为9.1～15.2kN。4栋塔楼对玻璃雨篷的水平总推力保守估计的上限分别为192,248,256,287kN。由于周边4栋塔楼均为高层和超高层建筑，此水平力与罕遇地震作用下主体结构的层剪力相比是非常小的。

　　 以上结果表明，即使周边4栋超高层塔楼在罕遇地震作用下相互靠近，其对玻璃雨篷的挤压作用也是十分有限的。主要原因是U形钢板支座刚度较小，玻璃雨篷受到周边混凝土结构的影响也较小，即U形钢板支承节点能起到“相对隔离”的作用。同时，由于4栋塔楼在多遇地震或风荷载作用下发生位移将远小于90mm，则U形钢板支座的“相对隔离”作用更为显著。

　　 由于U形钢板构造简单，通过螺栓或锚栓安装至连体结构或多塔楼结构，具有更换方便的特点。即使U形钢板发生过大变形，也可方便更换。

　　 根据《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)第3.0.3条的要求，玻璃雨篷最大跨度为36m，不大于60m，故其安全等级为二级，重要性系数γ₀为1.0;玻璃雨篷的设计使用年限为50年。在正常使用极限状态下，玻璃雨篷挠度控制为结构跨度的1/250^[2]。在承载力极限状态下，玻璃雨篷网格结构构件应力比控制在0.9以下。

　　 (1)恒载和活载

　　 玻璃采用夹胶安全玻璃，考虑玻璃自重、玻璃框自重及安装的金属配件等，单层网格结构的附加恒载为0.6kN/m²。不上人屋面活载为0.5kN/m²。

　　 (2)风荷载

　　 广州市50年一遇的基本风压为0.50kN/m²,100年一遇的基本风压为0.60kN/m²;地面粗糙度为B类，风荷载体型系数、风振系数和风压高度变化系数按《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)相关规定确定。

　　 (3)地震作用

　　 根据《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)，广州位于7度区，设计基本地震加速度值为0.10g，场地土类别为Ⅱ类，抗震设计分组为第一组，考虑下部结构，阻尼比取3%，场地特征周期为0.35s，地震影响系数最大值为0.08。

　　 (4)温度作用

　　 根据《建筑结构荷载规范》(GB 50009—2012)附录E的规定，广州月平均基本气温最低为6℃、最高为36℃。计算玻璃雨篷时结构最高平均温度T_s,max取39℃，最低平均温度T_s,min取0℃^[3]。合拢温度T₀取15～25℃。

　　 升温时，ΔT_k=T_s,max-T_0,min=(39-15)℃=24℃;降温时，ΔT_k=T_s,min-T_0,max=(0-25)℃=-25℃。综合考虑，钢构件均匀温度作用标准值取±25℃。

　　 由前述分析可知，由于弱连接的效应，玻璃雨篷的主体结构分析设计时可以不考虑周边混凝土结构刚度及变形。由于玻璃雨篷作为相对柔性的结构，在分析设计过程中考虑几何非线性的影响。

　　 (1)结构自振特性

　　 由于大跨度屋面结构刚度较弱，局部振型较多，对计算模型的前90阶模态进行分析，保证振型质量参与系数不小于90%。前6阶模态如图6所示。

　　 通过结构计算分析，结构各阶模态主要特点为:1)除前3阶频率外，其余结构频谱较为密集。2)前3阶振型主要表现为主体结构的整体振动，其他阶振型主要以主体结构的竖向振型为主。这表明主体结构的刚度远大于U形钢板支承节点的刚度，U形钢板支承节点能起到“相对隔离”的作用。

　　 (2)构件应力及变形分析

　　 在考虑恒载、活载、风荷载、地震作用和温度作用的情况下，进行承载能力极限状态荷载组合下的构件内力分析。

　　 在恒载和活载基本组合作用下，主体结构构件的最大纤维应力为280.7MPa。在恒载和活载标准组合作用下，主体结构的最大竖向位移w=132mm，最大位移发生在最大跨度单层网格处，结构短向跨度L=36m,w/L=1/272<1/250，满足规范^[2]的要求。结果表明，结构在竖向荷载(恒载+活载)下结构的变形较小，主体结构具有良好的竖向刚度。

　　 在风荷载单独作用下，主体结构构件的最大纤维应力为20.1MPa。主体结构的最大Y向位移为24mm。U形钢板支座最大水平反力为2.5kN，最大应力为106.7MPa，小于材料的屈服强度。

　　 在X向小震单独作用下，主体结构构件的最大纤维应力为6.34MPa,U形钢板支座的应力为95.6MPa，主体结构的X向变形仅为21.7mm;在Y向小震单独作用下，主体结构构件的最大纤维应力为12.9MPa,U形钢板支座的应力为77.9MPa，主体结构的Y向变形仅为18.0mm;在双向地震单独作用下，主体结构构件的最大纤维应力为12.5MPa,U形钢板支座的应力为98.6MPa，主体结构的水平变形仅为26.3mm;在竖向地震单独作用下，构件的最大纤维应力为14.3MPa,U形钢板支座的应力为11.6MPa，主体结构的最大位移仅为7.6mm。

　　 水平荷载作用下主体结构构件的应力及变形情况可表明:1)U形钢板支座具有足够的弹性刚度，能约束玻璃雨篷在风荷载和地震作用下的变形;2)通过U形钢板支座的“相对隔离”作用，玻璃雨篷主体结构在风荷载和地震作用下保持良好的受力性能，确保安全性。

　　 在温度荷载单独作用下，主体结构构件的最大纤维应力为1.8MPa,X,Y方向的最大变形为16.7mm。由于U形钢板支座的弹性支承能力，使钢结构能够较为自由地变形，故温度作用对钢结构雨篷的影响较小，可忽略不计。

　　 利用Strand7软件的API功能，基于《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)编制程序对所有钢结构构件进行构件验算。验算结果表明，结构构件均可满足规范要求。

　　 为了减少周边的高层钢筋混凝土结构对主体结构的影响，确保主体钢结构在地震作用下未进入屈服状态，并能进一步对U形钢板支座进行分析，对U形钢板支座施加强迫位移90mm(该位移值为高层钢筋混凝土结构的罕遇地震作用下的水平位移计算值)，并考虑主体结构受到的地震作用进行分析。

　　 在考虑罕遇地震标准组合(S_GE+S^*_Ehky+0.4S^*_Evk工况，其中S_GE为重力荷载代表值，S^*_Ehky为水平地震作用标准值，S^*_Evk为竖向地震作用标准值)作用下，周边塔楼相互靠近，对玻璃雨篷产生挤压作用时，方钢管的最大纤维应力为229.4MPa，小于钢材Q345的屈服强度345MPa;吊杆最大纤维应力为381.6MPa，小于钢材Q650的屈服强度650MPa;拉索最大纤维应力为339.7MPa，远小于拉索的设计强度。

　　 在考虑罕遇地震标准组合(S_GE+S^*_Ehky+0.4S^*_Evk工况)作用下，周边塔楼相互分离，对玻璃雨篷产生拉伸时，方钢管的最大纤维应力为224.1MPa，小于钢材Q345的屈服强度345MPa;吊杆最大纤维应力为380.2MPa，小于钢材Q650的屈服强度650MPa;拉索最大纤维应力为339.7MPa，远小于拉索的设计强度。

　　 计算结果表明在预估的罕遇地震作用下，U形钢板支座具有良好的“保险丝”作用，主体结构的主要构件均处于未屈服状态，具有良好的抗震性能。

　　 (1)U形钢板支承节点具有“相对隔离”和“保险丝”作用，其节点形式传力直接简单，同时能满足消能减震的结构要求。

　　 (2)在创新性地采用U形支座的情况下，雨篷具有良好的承载能力和变形性能，结构构件均能满足相关规范要求。