某加油站鋼結(jié)構(gòu)罩棚設計分析

劉興

黑龍江大學水利電力學院，中國·黑龍江 哈爾濱 150080

論文以某加油站網(wǎng)架結(jié)構(gòu)罩棚為研究對象，分別采用3D3S 和ANSYS 建立罩棚結(jié)構(gòu)模型，對其動力特性進行對比分析。根據(jù)實際情況確定結(jié)構(gòu)所受荷載，在不同荷載工況下對結(jié)構(gòu)進行靜力分析并考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性。研究結(jié)果表明：對于結(jié)構(gòu)的動力特性，3D3S 和ANSYS 計算結(jié)構(gòu)的最大自振周期分別為0.70 和0.73；前9 階振型中，X、Y、Z 方向的質(zhì)量參與系數(shù)分別為為93.37%、94.28%和15.81%。在結(jié)構(gòu)的靜力分析中，結(jié)構(gòu)桿件軸力最大值（受拉）為138.3kN，軸力最小值（受壓）為-174.0kN；結(jié)構(gòu)最大正位移和最大負位移分別為5.1mm 和-33.9mm，結(jié)構(gòu)的強度應力比和穩(wěn)定應力均集中在0.00～0.50，少部分桿件在0.50～0.80 之間。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；荷載工況；動力特性；靜力分析

1 引言

網(wǎng)架網(wǎng)殼體系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、造型輕盈，不僅節(jié)省使用空間，而且滿足結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性的要求，是設計師在設計大跨度結(jié)構(gòu)時的首要選擇。結(jié)構(gòu)的靜力特性與動力特性對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計與結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性至關(guān)重要。近年來，針對結(jié)構(gòu)靜動力特性的研究成果層出不窮，張愛林[1-2]等對2008年奧運羽毛球館弦支穹頂?shù)倪M行了動力特性分析，并根據(jù)分析結(jié)果對結(jié)構(gòu)進行了地震時程分析。渠瑞娟[3]詳細分析了大跨四坡折板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的靜動力特性，為四坡折板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的工程應用提供了重要依據(jù)和參考。韓慶華[4]等針對吊頂結(jié)構(gòu)的自振特性進行研究，并對每層附有吊頂?shù)目臻g鋼框架進行了振動臺試驗。為了研究不同地震輸入維數(shù)以及地震輸入角度對結(jié)構(gòu)響應的影響，張愛林[5]等對屋蓋及其支承結(jié)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)進行了動力特性分析。

上述研究僅僅局限于大跨度鋼結(jié)構(gòu)的動力特性及地震響應，而對加油站網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的動力特性、靜力分析十分有限，論文以某加油站雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)罩棚為研究對象，分別采用3D3S 和ANSYS 建立罩棚結(jié)構(gòu)模型，對其動力特性進行對比分析。根據(jù)實際情況確定結(jié)構(gòu)所受荷載，在不同荷載工況下對結(jié)構(gòu)進行靜力分析并考慮結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性。

2 工程概況

加油站網(wǎng)架結(jié)構(gòu)罩棚占地面積926.7m2，總建筑面積320m2，如圖1加油站鳥瞰圖所示，結(jié)構(gòu)總長20.0m，寬16.0m，高度9.5m，挑檐長度2.0m。

圖1 加油站鳥瞰圖

結(jié)構(gòu)效果如圖2所示，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設計標準GB50017-2017》[6]和《空間網(wǎng)格技術(shù)規(guī)程》（JGJ7-2010）[7]，結(jié)構(gòu)設計安全等級為一級，設計使用年限為50年，防火等級為一級?；撅L壓為0.50kN/m2，地面粗糙度類別為B 類，風壓高度變化修正系數(shù)為1.00，風荷載計算用阻尼比去0.02?？拐鹪O防烈度為7 度，基本地震加速度為0.10g，場地土類別為Ⅱ類，設計地震分組為第一組，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.1。

圖2 加油站效果圖

3 模型建立與結(jié)構(gòu)特性

3.1 模型建立

加油站鋼結(jié)構(gòu)罩棚由雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和支撐柱子組成。罩棚主體采用焊接空心球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，支撐柱子與地面混凝土墩相連，形成穩(wěn)定的受力體系。其中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)長20.0m，寬16.0m，高1.5m，支撐柱子高8.0m。結(jié)構(gòu)構(gòu)件均采用圓鋼管，鋼管截面和數(shù)量如表1所示。由3D3S 和ANSYS 建立的整體結(jié)構(gòu)模型分別如圖3和圖4所示。

表1鋼管截面和數(shù)量

圖3 體育場西看臺模型圖

圖4 體育場西看臺模型圖

3.2 結(jié)構(gòu)動力特性

采用3D3S 和ANSY 對結(jié)構(gòu)的動力特性進行分析，分別對自振周期、振型以及質(zhì)量參與系數(shù)展開研究。如表2所示：3D3S 和ANSY 計算的結(jié)構(gòu)前9 階自振周期，可以發(fā)現(xiàn)，兩種軟件計算得到的自振周期非常接近，數(shù)據(jù)比較可靠。結(jié)構(gòu)最大自振周期為0.70～0.73，符合規(guī)范以及結(jié)構(gòu)設計的要求，結(jié)構(gòu)安全合理。

表2 前20 階自振周期表（單位：s）

圖5給出了結(jié)構(gòu)的前四階振型圖，由圖可知，結(jié)構(gòu)的前3 階振型主要由結(jié)構(gòu)的支撐柱子引起，第1、2、3 振型分別為結(jié)構(gòu)向左擺動、結(jié)構(gòu)向右擺動、結(jié)構(gòu)繞柱子方向扭轉(zhuǎn)，第4振型為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中部的整體振動，表現(xiàn)為上下擺動。

圖5 結(jié)構(gòu)前4 階振型

結(jié)構(gòu)前9 階自振周期與質(zhì)量參與系數(shù)如表3所示，前9階振型中，X 方向的質(zhì)量參與系數(shù)為93.37%，Y 方向的質(zhì)量參與系數(shù)為94.28%，Z 方向的質(zhì)量參與系數(shù)為15.81%。說明振型主要為X 方向、Y 方向的振動，其中7 階與X 方向有關(guān)，8 階與Y 方向有關(guān)。在設計時，需要注意X、Y 兩個方向的動力特性。

表3 前9 階振型質(zhì)量參與系數(shù)

3.3 荷載選取

3.3.1 恒荷載和活荷載

恒荷載1 表示整個罩棚所受恒荷載，為0.40kN/m2。恒荷載2 表示雙層網(wǎng)殼所受恒荷載，為0.30kN/m2。荷載分布如圖6（a）所示。取屋面活荷載與雪荷載的最大值。取0.50kN/m2；基本雪壓為0.55kN/m2。荷載分布圖如圖6（b）所示。

圖6 荷載分布圖

3.3.2 風荷載

結(jié)構(gòu)的風振系數(shù)為1.21。當風向延長軸方向時，網(wǎng)殼受風吸作用，水平向網(wǎng)殼體型系數(shù)為-0.36，豎直向網(wǎng)殼體型系數(shù)為-0.21。當風向垂直長軸方向時，網(wǎng)架受風壓作用，水平向網(wǎng)殼體型系數(shù)為0.16，豎直向網(wǎng)殼體型系數(shù)為0.65。荷載分布圖如圖6（c）所示。結(jié)構(gòu)恒荷載、活荷載和風荷載如表4所示。

表4 荷載列表(力：kN；彎矩：kN.m)

3.3.3 溫度荷載與地震作用

溫度的變化對鋼結(jié)構(gòu)的影響較大，根據(jù)氣溫資料，最高氣溫為37℃，最低氣溫為-6℃，設計中對于雙層網(wǎng)架的溫度效應整體考慮升溫和降溫各25℃兩種情況，并要求結(jié)構(gòu)合攏溫度為 10℃(構(gòu)件表面溫度)。采用振型分解法計算地震作用下結(jié)構(gòu)的反應，水平地震影響系數(shù)最大值為0.12，豎向地震作用系數(shù)為0.09，周期折減系數(shù)取1.00。

4 結(jié)構(gòu)靜力分析

4.1 內(nèi)力分析

由于加油站結(jié)構(gòu)為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和格構(gòu)式支撐柱子，所以將構(gòu)件的軸力作為主要研究對象。軸力最大的前十個單元內(nèi)力表如表5所示，由表可知：軸力最大值（受拉）為138.3kN，軸力最小值（受壓）為-174.0kN。構(gòu)件軸力圖如圖7所示，由圖7（a）可知結(jié)構(gòu)大部分桿件受拉軸力值為-107.2kN～89.2kN，極少部分桿件受拉軸力值為89.2kN～138.3kN，且紅顏色桿件均位于雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)上，格構(gòu)式支撐柱子所受軸力不大，且結(jié)構(gòu)的受力呈軸對稱分布。從圖7（b）可以發(fā)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)大部分桿件受壓軸力值為-69.7kN～86.5kN，極少部分桿件受壓軸力值為-173.9kN～-69.7kN，且紅顏色桿件主要分布在雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)邊緣和支撐柱子上。

表5 軸力 N 最大和最小的前 10 個單元(單位：kN)

4.2 位移分析

結(jié)構(gòu)位移圖如圖8所示，計算結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)最大正位移為5.1mm，位于雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中間位置，雙層網(wǎng)架跨度L約為20m。根據(jù)《空間網(wǎng)格技術(shù)規(guī)程》（JGJ7-2010），容許撓度為L/250，即容許撓度值約為8mm，因此結(jié)構(gòu)豎向變形滿足要求。

圖8 結(jié)構(gòu)位移圖

4.3 應力比分析

結(jié)構(gòu)整體應力比控制在0.85，結(jié)構(gòu)總體應力比分布圖如圖9所示，根據(jù)計算分析模型，進行規(guī)范檢驗，檢驗結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)能夠滿足承載力計算要求，應力比最大值為0.80。圖10為構(gòu)件強度應力比圖，結(jié)構(gòu)桿件的強度應力比主要集中在0.00～0.50，少部分桿件的強度應力比在0.50～0.80 之間，結(jié)構(gòu)強度合格。由表6可知，結(jié)構(gòu)強度應力比最大的單元是1260，最大值為0.799，對應的整體穩(wěn)定應力比、抗剪應力比和長細比均符合規(guī)范要求。

圖9 結(jié)構(gòu)應力比分布圖

圖10 構(gòu)件強度應力比圖

表6 “強度應力比”最大的前 10 個單元

5 結(jié)語

（1）3D3S 和ANSYS 計算結(jié)構(gòu)的最大自振周期分別為0.70 和0.73，結(jié)構(gòu)前3 階振型主要由結(jié)構(gòu)的支撐柱子引起，第4 階振型為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中部上下擺動。

（2）前9 階振型中，X 方向的質(zhì)量參與系數(shù)為93.37%，Y 方向的質(zhì)量參與系數(shù)為94.28%，Z 方向的質(zhì)量參與系數(shù)為15.81%。振型主要為X 方向、Y 方向的振動，其中7 階與X方向有關(guān)，8 階與Y 方向有關(guān)。

（3）軸力最大值（受拉）為138.3kN，軸力最小值（受壓）為-174.0kN。結(jié)構(gòu)大部分桿件受拉軸力值為-107.2kN～89.2kN，結(jié)構(gòu)大部分桿件受壓軸力值為-69.7kN～86.5kN，受力較大桿件主要分布在雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)邊緣和支撐柱子上。結(jié)構(gòu)最大正位移和最大負位移分別為5.1mm 和-33.9mm，均位于雙層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中間位置。

（4）結(jié)構(gòu)的強度應力比和穩(wěn)定應力均集中在0.00～0.50，少部分桿件在0.50～0.80 之間。結(jié)構(gòu)強度應力比最大的單元是1260，最大值為0.799，結(jié)構(gòu)強度應力比對應的抗剪應力比和長細比均符合規(guī)范要求。