建筑太阳能雨篷支架结构设计思路探究

[摘 要]现如今在设计建筑的时候，为了达到更好的遮阳避雨以及拓宽使用面积的目的，往往都会设计一定的雨篷（把钢结构及覆面玻璃板用一定的措施连接搭建而成的）。在进行雨篷设计的时候，要重点关注和研究其整体的结构设计，尽量能够做到，在确保构件的安全性、耐久性和实用性的前提下，也可以为建筑的装饰美化环节提供一定的基础。本篇文章主要在雨篷的设计中增加了太阳能绿色建筑思想的理念，用新型的太阳能电池板替代了原来的覆面材料，并且还就该想法为依据，设计出来了逼真的简易化的模型，我们在对该模型进行科学计算的基础上，达到了不断提高我们所需要的太阳能雨篷技术的目的。

[关键词]太阳能电池板 雨篷 结构设计 荷载效应组合

中图分类号：TP393.08 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0272-01

1.引言

尽管雨篷是作为建筑物的附属所存在着的，但是其作用也是不容忽视的。处在建筑物的雨篷具备着遮阳避雨的作用。就我国的具体情况而言，晴天的时候要远远超过雨天的时候，为此，雨篷的主要作用就是为了遮阳。我国处于北半球欧亚大陆的东部，在北纬的18°与54°之间，占地面积极为广阔，获得的太阳能能源也是较为富裕的。其年辐射总值能够达到335kJ/cm2与1000kJ/cm2范围之间，年日照总时数也在1000h与3300h之内。若是这些能源可以被我们收集并使用的话，将为解决我国能源紧缺问题提供有利条件和强大动力，这对我们所有人来说都将会是一个极为丰富的财产。就太阳能的发展前景而言，主要有两个方面：一是，光与电相结合；另一个是，太阳能与建筑物相结合。为此，现如今的雨篷不但有着遮阳避雨的功能，还具备着发电的作用，为建筑物的节能减排奠定了坚实的基础。

2.结构设计概况

雨篷支架主要包括了前压条、后压条、左支架和右支架几个部分，其中左右支架能够承受住重达50公斤的重量，是一个极为牢固的结构。

以下我们主要设计的是一种居民房的太阳能雨篷支架。雨篷上部的覆面材料为太阳能板。就将要设计的雨篷模型而言，它不但要要有承受自身支架重量的能力，还要再加上一个太阳能板的重力，并且还要关注雨篷的正确安装问题。具体包括：一是，就太阳能板的设计规格而言，为1470mm×680mm×35mm，质量12.0kg；二是，就雨篷的支座选材而言，等边角钢和扁钢，钢材间的连接方式为对接焊缝，焊缝部分损耗忽略不计；三是，就选择的角钢规格而言，型号4，长度单位（m），边宽40mm、厚4ram，理论质量2.4kg/m；四是，就选择的扁钢规格而言，质量，米公式：w=0.00785×边宽×边厚（单位kg/m）。设计选用边宽40mm，边厚选用3mm；五是，就模型的角度而言，一个直角，两个锐角（30°和60°）。

3.理论依据

就雨篷的设计来说，主要包括准确计算出来钢结构支座承受太阳能板的荷载，以及整体结构与墙体连接处螺栓的规格间距。其中，一个关键的步骤是结构设计的载荷效应的基本组合设计值（可变荷载效应组合及永久荷载效应组合两部分），在设计的时候要确保两个数值都满足要求，为此，我们一般都是拿相对来说最为不利的一个来进行计算和检验。

4.计算过程

4.1初步确定数据

在查阅资料，以及严格遵守计算公式的前提下，我们可以求得扁钢为0.942kg/m，钢材的质量为3.28kg，钢材的重力32.8N，太阳能板的重力为0.12N，太阳能雨篷的活荷载（包括雪荷载、风荷载、人员维修等荷载）为0.5kN。

4.2理论求解

在只有一个可变荷载的情况下，我们选取vG=1.2，vQ=1.4，v0=1.0，可得N1=0.844kN；而是永久荷载效应组合的时候，我们选取vG=1.35，vQ=1.4，v0=0.7，可得N2=0.652kN。由于N2明显小于N1，为此，我们选取N2=0.652kN来进行模型的设计计算及校核。以便计算简化，我们将其模型近似的看作是一个桁架结构，其受到的力包括：太阳能雨篷板的重力、支架的重力，以及雨篷板面的活荷载。由于该结构中具有着两个雨棚支架，我们选择了一个支架受力：F`=454.8N。在注意到有三个支点的基础上，我们可知每个支点受力F=151.6N.

4.3各支点力学分析

在以上求解的前提下，我们可以先会出支架模型的简图，再分析简图中各质点的受力情况，这样讲更为简单和易懂。在求得段直角边两端支点（C点和D点）的受力情况下，我们就能够更为严格的为连接点螺栓的正确选择奠定坚实的基础。注：（另一个点位A，斜边AC的中点为B）。下面对这4点进行受力分析，可得：FAB=303.2N（拉），FAD=-262.58N（压）；FBC=454.8N（拉），FBD=-151.6N（压）。（因为C、D为铰支与墙体连接，所以FCD=ON。）FCx=-393.89N（压），FCy=379N（剪）；FDx=393.87N（拉），FDy=75.8N（剪）。综上所得，我们很容易可以发现：支座C、D点上，最大拉力为393.87N，最大剪力在C处，为379N。

5.膨胀螺栓的选取

就以上所介绍的雨篷设计模型而言，其支座与墙体间的连接主要依靠的是膨胀螺栓的锚固。查阅和参考资料的前提下，我们选用了148×70，？12埋深45mm的膨胀螺栓。栓中心点间距1.2×3.5=4.2cm，即两边伸出的钢材长度为4.2+1.2=5.4cm，则两边设置加长长度各为60mm。此时增加钢材质量：0.942kg/m×（60mm+60mm）=0.11304kg。可得重量：O.11304×10=1.1304N。它对于整体的结构来说没什么大的影响，为此，选用膨胀螺栓锚固是比较合理的。

6.结论

总而言之，尽管钢雨篷在建筑物中占领的区域较小，但是其作用却是极为重要的（能够最大程度的把太阳能转化成电能，为人们带来方便，为资源节约奠定基础），为此，在结构设计时要重点关注雨篷的选材和制作。当然，雨篷的安全性和耐久性也是不能掉以轻心的，这就要求设计者在设计的过程中，要全面了解和掌握各种载荷的组合效应、整体结构及外墙锚固等问题，在确保安全的基础上，达到经济、合理、实用的目的。就以上分析的太阳能雨篷的设计已经摆脱了传统的设计方式，实现了绿色建筑为主的转变，为雨篷新时代的发展指明了方向。

参考文献

[1]沈雪， 李小琪， 金凯.太阳能雨篷支架结构设计[J].门窗，2013（1）；

[2]周荣.高帆大厦大悬臂雨篷设计选型及钢结构计算[J].建筑施工，2008，30（7）：553―554；

[3]沈雪，杨秋伟，李小琪.大跨度钢结构雨篷在现代建筑工程的应用[J].门窗，2011（10）：14-17.