移動式風雨棚鋼結(jié)構(gòu)的荷載選取和有限元計算案例

白躍品

（上海城建市政工程（集團）有限公司研發(fā)中心，上海200241）

0 引言

移動式風雨棚是應用于船廠、工礦、軍工等為克服惡劣天氣而在場地不同位置設(shè)置的可移動棚式特種機械設(shè)備。類似造船這種分段較大較多的工程，天氣因素對拼裝品質(zhì)和作業(yè)人員的工作環(huán)境影響很大，所以需要焊接和吊裝盡量在室內(nèi)完成，移動式風雨棚應運而生[1]。移動式風雨棚由于應用場景限制，結(jié)構(gòu)比較大，目前相應的載荷選取，采用有限元仿真計算研究也比較少。國內(nèi)風雨棚方面研究現(xiàn)狀主要集中在固定式站臺或者廠房，大型的主要集中在球場站臺或者火車站，設(shè)計方法傳統(tǒng)保守、費工費時。移動式風雨棚的核心技術(shù)不僅在于整體結(jié)構(gòu)強度和剛度滿足使用要求，而且要求在強風強雨的工況下，整個風雨棚的鋼結(jié)構(gòu)不會被破壞。在整個鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，荷載的選取對設(shè)備運行和制造成本影響很大，必須謹慎對待。

在荷載確定以后，設(shè)計人員可以借助計算機有限元軟件來輔助設(shè)計。有限元分析軟件具有整體性、可視性強，方便查詢，能對傳統(tǒng)設(shè)計形成有效的驗證和補充。本課題選擇大型通用有限元計算軟件ANSYS來輔助分析。ANSYS軟件作為目前最流行的有限元軟件之一，是工程師們開發(fā)設(shè)計的首選，并廣泛應用于核工業(yè)、土木工程、機械制造等一般工業(yè)及科學研究領(lǐng)域[2]。這里選取一臺大型的60 m×45 m移動式風雨棚作為計算實例，運用ANSYS軟件對其鋼結(jié)構(gòu)進行有限元仿真研究。

1 荷載計算

這臺60 m×45 m移動式風雨棚主要北方沿海一個大型船廠，整體結(jié)構(gòu)形式如圖1所示，主要外形參數(shù)：跨距為60 m，長度45 m，棚頂?shù)脚锏?5 m，屋頂坡度為6°。整個移動式風雨棚由鋼結(jié)構(gòu)、吊物裝置、大車運行機構(gòu)和其他輔助部件構(gòu)成。移動式風雨棚的主體是鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)是用不同型號的方管拼接而成的空間桁架結(jié)構(gòu)，方管之間的采用焊接連接，立柱用大截面方管，間距是2.5 m，頂棚主要是小截面方管焊接成的空間桁架結(jié)構(gòu)，整個鋼結(jié)構(gòu)表面覆蓋物主要是彩鋼板，在頂部和側(cè)面設(shè)置有走臺和欄桿等，在風雨棚內(nèi)部上部還安裝有電動葫蘆，本臺設(shè)備頂部共有四套可以獨立運作的電動葫蘆。在鋼結(jié)構(gòu)底部安裝有大車運行機構(gòu)，在大車運行機構(gòu)上面加裝防風錨定，在鋼結(jié)構(gòu)外面安裝防風系纜。

移動式風雨棚所承受的荷載選取可參考GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，分為恒荷載和活荷載兩大類。其中，恒荷載指風雨棚自重引起的荷載，而活荷載較為復雜，包括棚內(nèi)起重機吊車荷載、風荷載、積灰荷載，北方還要考慮積雪荷載。風荷載和積雪荷載可依據(jù)規(guī)范或當?shù)貧庀筚Y料，積灰荷載應根據(jù)風雨棚所處的環(huán)境，由用戶提供相關(guān)資料[3]。本文選取對移動式風雨棚影響較大的風荷載和雪荷載來重點介紹

1.1 設(shè)計原則

本文鋼結(jié)構(gòu)主要考慮以下設(shè)計原則：

（1）鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，按分項系數(shù)的設(shè)計表達式進行計算；對于一般框（排）架結(jié)構(gòu)，可采用簡化分項系數(shù)設(shè)計表達式，具體表達式和各分項系數(shù)取值，可以查詢GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，這里不再詳細敘述；

（2）各種承重結(jié)構(gòu)均按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的原則進行設(shè)計，一般應按使用條件采用荷載效應的基本組合，在使用中有可能發(fā)生事故等偶然性荷載作用時，尚應考慮荷載效應的偶然組合；

（3）設(shè)計鋼結(jié)構(gòu)時，尚應根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞可能產(chǎn)生的后果采用不同安全等級，并在荷載效應計算中采用不同的系數(shù)。

1.2 雪荷載

移動式風雨棚屋面水平投影面上的雪荷載標準值，應按下式計算[3]：

式中：Sk為雪荷載標準值，kN/m2；μr為屋面積雪分布系數(shù)；S0為基本雪壓，kN/m2。

基本雪壓按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》全國基本雪壓分布圖的規(guī)定采用，按50年一遇的雪荷載標準選用，考慮到本臺設(shè)備在東北使用，基本雪壓要適當提高，具體可以查閱當?shù)氐牡臍夂蛸Y料，或者遵從相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范。

本鋼結(jié)構(gòu)為單跨雙坡屋面形式，其屋面積雪分布系數(shù)見《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。

1.3 風荷載

垂直于建筑物表面上的風荷載標準值，應按下式計算[3]：

式中：wk為風荷載標準值，kN/m2；βz為高度處的分項系數(shù)；μs為風荷載體型系數(shù)；μz為風壓高度變化系數(shù)；w0為基本風壓，kN/m2。

基本風壓按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》全國基本風壓分布圖的規(guī)定采用。按50年一遇的風荷載標準選用，考慮到本臺設(shè)備主要用于造船廠，海風比較大，基本風壓要適當提高，具體可以查閱當?shù)氐牡哪曜畲箫L速資料。

本鋼結(jié)構(gòu)為單跨中封閉式雙坡屋面構(gòu)筑物，其風荷載體型系數(shù)見《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。

1.4 荷載統(tǒng)計

通過以上討論，結(jié)合60 m×45 m移動式風雨棚實際情況，將荷載統(tǒng)計如下表1所示。

表1 載荷統(tǒng)計

1.5 計算工況

計算工況選擇依據(jù)的是移動式風雨棚實際使用過程的荷載組合狀態(tài)，分為工作狀態(tài)和非工作狀態(tài)兩種。工作狀態(tài)的荷載組合應考慮自重荷載、吊車荷載、風荷載、積灰荷載、雪荷載。主要分4種計算工況：

工況1：只考慮自重荷載；

工況2：考慮自重荷載，吊車荷載（在同一弦架）;

工況3：考慮自重荷載、吊車荷載（在同一弦架）、積灰荷載;

工況4：應用組合系數(shù)，考慮自重荷載、吊車荷載（在同一弦架）、風荷載、灰載、雪荷載。

非工作狀態(tài)的荷載組合應考慮自重荷載、風荷載、積灰荷載、雪荷載。主要分2種計算工況：

工況5：考慮自重荷載、大雪荷載、積灰荷載；

工況6：考慮自重荷載、強風荷載。

2 有限元計算

2.1 建立有限元模型

60 m×45 m移動式風雨棚的鋼結(jié)構(gòu)是由多段門式結(jié)構(gòu)組成的空間桁架結(jié)構(gòu)。每段門式結(jié)構(gòu)是由兩根工字型立柱和圓管桁架梁組成，各段之間由圓管桁架結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)。移動式風雨棚鋼結(jié)構(gòu)的支腿，一般由型鋼焊接組成。風雨棚鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計要求盡量減重，頂部質(zhì)量越小，對整體性能提高很大，所以，頂部設(shè)計盡量直接采用鋼管或者型鋼等焊接成的桁架結(jié)構(gòu)。

移動式風雨棚鋼結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下，立柱與空間連結(jié)的桁架主要承受彎矩，有限元模型采用梁單元來模擬較好。立柱、型鋼、圓管等在ANSYS中建模時位置以一條線段代替，后面可以賦予線段梁單元的材料屬性[4]。定義材料（Q235鋼）的密度為7.85×10-9t/m3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。模型簡化去掉了很多附屬結(jié)構(gòu)，附屬結(jié)構(gòu)的重量在鋼結(jié)構(gòu)計算時也要考慮進去，在有限元計算時，可以按比例增大重力加速度數(shù)值，以此來保證整機重量不變。

經(jīng)過在ANSYS中建模、分配單元屬性、再劃分網(wǎng)格后，最終得到風雨棚有限元模型如圖3、4所示。其中單元數(shù)：10 944，節(jié)點數(shù)：22 077。

2.2 有限元分析

60 m×45 m移動式風雨棚鋼結(jié)構(gòu)材料為Q235，按照 GB 50009—2012《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，其許用應力為215 MPa。許用屋面板撓度：[f]=L/400=150 mm，許用墻面板撓度：[f]=L/400=54 mm。

對上述有限元模型施加邊界約束條件，選擇上面所述的六種計算工況，分別對門式起重機進行有限元計算。ANSYS軟件能直觀顯示出整體的強度和剛度變化情況，這里選取工作狀態(tài)的工況4和非工作狀態(tài)的工況6來舉例說明，結(jié)果如圖2，3所示。六種工況有限元計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

（續(xù)下圖）

（接上圖）

圖2 工況4整體應力和位移分布云圖

圖3 工況6整體應力和位移分布云圖

表2 有限元應力分析結(jié)果匯總表

通過有限元計算結(jié)果的分析比較，6種工況的強度應力數(shù)值都在許用應力范圍內(nèi)，只有工況6，在強風作用下，屋頂、側(cè)向位移數(shù)值超過許用數(shù)值，需要加裝防風系纜裝置。

3 結(jié)語

本文通過對60 m×45 m移動式風雨棚鋼結(jié)構(gòu)的荷載選取和有限元計算的詳細闡述，可以得到如下結(jié)論：風雨棚設(shè)計時，荷載的選取非常重要，對整機的性能和經(jīng)濟成本影響很大。當荷載和方案出來后，借助有限元軟件ANSYS軟件可以很好地輔助分析，本課題的有限元分析結(jié)果均很好地滿足設(shè)計需要的強度和剛度要求。本臺設(shè)備，目前已經(jīng)投入使用幾年，在實際使用過程中運行狀態(tài)良好，很好地滿足了工廠的使用要求。