鋼框架結(jié)構(gòu)罩棚設(shè)計(jì)

葉 棟

(中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司青海分公司，甘肅敦煌 736200)

近年來(lái)，伴隨加油站項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，新建加油站項(xiàng)目中鋼結(jié)構(gòu)罩棚已然成為了設(shè)計(jì)、施工的重要組成部分。目前罩棚結(jié)構(gòu)形式主要有：鋼框架罩棚和螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)罩棚，一般根據(jù)場(chǎng)地情況和各區(qū)域習(xí)慣確定罩棚結(jié)構(gòu)形式，由于不同設(shè)計(jì)人員對(duì)罩棚結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)存在著不同的認(rèn)知，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)過(guò)程中，出現(xiàn)截面過(guò)大、構(gòu)建選型不合理、軟件中設(shè)置參數(shù)不當(dāng)?shù)惹闆r，導(dǎo)致設(shè)計(jì)成果存在一定的個(gè)體差異。

本文主要針對(duì)通過(guò)式鋼框架結(jié)構(gòu)罩棚展開設(shè)計(jì)研究。為得到安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的空間鋼框架罩棚結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建立多工況情況下的模型，對(duì)比分析研究，以期獲得“理想模型”結(jié)構(gòu)。

1 鋼框架結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

根據(jù)青藏地區(qū)某已建加油站項(xiàng)目的罩棚構(gòu)件設(shè)計(jì)取值，進(jìn)行驗(yàn)算模型驗(yàn)算(圖1、圖2)。

圖1 鋼框架罩棚三維模型

圖2 鋼框架平面布置

模型概況：

柱距12 m，懸挑5 m(4 m)，高度：6.6 m；

抗震設(shè)防烈度：8度，0.2g；

抗震等級(jí)：三級(jí)；

抗震設(shè)防分類：丙類；

罩棚面活荷載：0.5 kN/m2；

罩棚面恒荷載：0.3 kN/m2；

檐口面豎向恒荷載：1.0 kN/m；

風(fēng)壓修正值：0.5 kN/m2；

水平風(fēng)體型系數(shù)：X向體型系數(shù)1.3，Y向體型系數(shù)1.3；

特殊風(fēng)荷載：擋風(fēng)系數(shù)0.15，迎風(fēng)面0.8，背風(fēng)面-0.5，側(cè)風(fēng)面-0.7；

經(jīng)計(jì)算，鋼框架結(jié)構(gòu)各主要受力構(gòu)件應(yīng)力比普遍偏小，間接反映出鋼框架結(jié)構(gòu)鋼材用量偏大。具體數(shù)據(jù)見表1。

2 鋼框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

針對(duì)上部框架梁和下部柱分別進(jìn)行選型設(shè)計(jì)研究。

框架柱截面通常采用矩形鋼柱，截面選型：原設(shè)計(jì)500 mm×500 mm×18 mm(強(qiáng)度應(yīng)力比0.52，穩(wěn)定應(yīng)力比0.23)，在參照原截面尺寸基礎(chǔ)上，設(shè)置350 mm×35 mm×18 mm、400 mm×400 mm×18 mm、450 mm×450 mm×18 mm、550 mm×550 mm×18 mm，對(duì)該4種工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。

上部結(jié)構(gòu)經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，主梁尺寸為350 mm×250 mm×10 mm×14 mm，次梁為300 mm×200 mm×8 mm×12 mm，挑梁1為350 mm×250 mm×10 mm×14 mm，挑梁2為300 mm×200 mm×8 mm×12 mm，圈梁為200 mm×180 mm×8 mm×10 mm。

在固定上部結(jié)構(gòu)不變的情況下，變化柱截面尺寸，探討柱、梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力比變化特征(表2、圖3)。

根據(jù)表2、圖3可知：伴隨柱截面增大，柱強(qiáng)度應(yīng)力比逐漸減小，同時(shí)柱穩(wěn)定性也是隨著柱截面的增大而提高。截面的增大對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利，但經(jīng)濟(jì)性差，強(qiáng)度計(jì)算柱截面受力在450 mm×450 mm×18 mm位置處出現(xiàn)“理想?yún)^(qū)”，穩(wěn)定性驗(yàn)算在柱截面400 mm×400 mm×18 mm位置處出現(xiàn)“理想?yún)^(qū)”，但該位置區(qū)域強(qiáng)度應(yīng)力比超限。

表1 現(xiàn)狀框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力比數(shù)據(jù)

表2 柱應(yīng)力比變化數(shù)據(jù)

圖3 柱應(yīng)力比變化趨勢(shì)

表3 梁應(yīng)力比變化數(shù)據(jù)

根據(jù)表3可知：伴隨柱截面增大，主梁應(yīng)力在下降，其他構(gòu)件應(yīng)力比幾乎沒(méi)有變化。柱截面的增大，所帶來(lái)的剛度增量，對(duì)上部結(jié)構(gòu)影響較小，僅對(duì)少部分構(gòu)件帶來(lái)應(yīng)力比的下降，可下調(diào)主梁的截面尺寸。

梁應(yīng)力比在柱截面400 mm×400 mm×18 mm及450 mm×450 mm×18 mm位置處出現(xiàn)“理想?yún)^(qū)”。

針對(duì)柱截面450 mm×450 mm×18 mm區(qū)間的罩棚結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)。

根據(jù)表4、圖4可知：伴隨柱壁厚的增大，柱強(qiáng)度應(yīng)力比逐漸減小，同時(shí)柱穩(wěn)定性也是隨著柱截面的增大而提高。壁厚的增大對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利，但經(jīng)濟(jì)性差，強(qiáng)度計(jì)算柱截面受力在450 mm×450 mm×14 mm和450 mm×450 mm×16 mm位置處出現(xiàn)“理想?yún)^(qū)”。

圖4 柱應(yīng)力比變化趨勢(shì)

綜上所述：綜合考慮上部結(jié)構(gòu)梁體應(yīng)力“理想?yún)^(qū)”和下部柱結(jié)構(gòu)“理想?yún)^(qū)”，柱截面理想?yún)^(qū)處在450 mm×450 mm×16 mm位置。

3 “理想?yún)^(qū)”鋼框架結(jié)構(gòu)受力研究

本章主要針對(duì)研究得到的“理想?yún)^(qū)”鋼框架模型，研究地震烈度、風(fēng)壓、特殊風(fēng)荷載對(duì)梁柱結(jié)構(gòu)受力影響。

3.1 地震烈度影響因素

選用“理想?yún)^(qū)”鋼框架結(jié)構(gòu)，柱截面450 mm×450 mm×

表4 柱應(yīng)力比變化數(shù)據(jù)

16 mm，主梁尺寸為350 mm×250 mm×10 mm×14 mm，次梁為300 mm×200 mm×8 mm×12 mm，挑梁1為350 mm×250 mm×10 mm×14 mm，挑梁2為300 mm×200 mm×8 mm×12 mm，圈梁為200 mm×180 mm×8 mm×10 mm。設(shè)置地震烈度6度、7度、8度、9度4種工況，研究地震烈度對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的影響(表5)。

表5 柱梁應(yīng)力比在不同地震烈度工況下的變化趨勢(shì)

根據(jù)表5中數(shù)據(jù)，可知：柱、梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力比在地震烈度不斷增加的情況下，應(yīng)力基本沒(méi)有發(fā)生變化。規(guī)范中根據(jù)地震烈度增大，抗震等級(jí)在提高，規(guī)范對(duì)柱腳提出抗震構(gòu)造措施，對(duì)不同地震烈度工況下有級(jí)別差異：柱腳宜采用埋入式，也可采用外包式；地震烈度6度、7度且高度不超過(guò)50 m時(shí)也可采用外露式。

3.2 風(fēng)壓影響因素

選用“理想?yún)^(qū)”鋼框架結(jié)構(gòu)，柱截面450 mm×450 mm×16 mm，主梁尺寸為350 mm×250 mm×10 mm×14 mm，次梁為300 mm×200 mm×8 mm×12 mm，挑梁1為350 mm×250 mm×10 mm×14 mm，挑梁2為300 mm×200 mm×8 mm×12 mm，圈梁為200 mm×180 mm×8 mm×10 mm。設(shè)置風(fēng)壓0.3 kN/m2、0.4 kN/m2、0.5 kN/m2、0.6 kN/m24種工況，研究風(fēng)壓對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的影響(表6、圖5)。

表6 柱梁應(yīng)力比在不同風(fēng)壓工況下的變化趨勢(shì)

圖5 柱梁應(yīng)力比在不同風(fēng)壓工況下的變化趨勢(shì)

根據(jù)表6中數(shù)據(jù)，可知：伴隨風(fēng)壓線性增大，柱應(yīng)力比線性增大，主梁應(yīng)力緩慢提高，但次梁應(yīng)力基本保持不變。即風(fēng)壓變化對(duì)柱結(jié)構(gòu)受力影響較大，主梁次之，其他構(gòu)件基本影響不大。

3.3 特殊風(fēng)荷載影響因素

風(fēng)荷載的模擬，對(duì)罩棚結(jié)構(gòu)影響較大，常用的方式為：水平向風(fēng)荷載和特殊風(fēng)荷載加載(表7、表8、圖6、圖7)。

(1)水平風(fēng)體型系數(shù)：X向體型系數(shù)1.3，Y向體型系數(shù)1.3。

(2)特殊風(fēng)荷載：擋風(fēng)系數(shù)0.15，迎風(fēng)面0.8，背風(fēng)面-0.5，側(cè)風(fēng)面-0.7。

表7 柱應(yīng)力比在不同類型風(fēng)荷載工況下的變化趨勢(shì)

圖6 柱應(yīng)力比在不同類型風(fēng)荷載工況下的變化趨勢(shì)

圖7 梁應(yīng)力比在不同類型風(fēng)荷載工況下的變化趨勢(shì)

根據(jù)表7、表8中數(shù)據(jù)以及變化趨勢(shì)，可知：水平風(fēng)荷載作用下的梁柱應(yīng)力都要比特殊風(fēng)荷載大，其中柱的應(yīng)力比差別較大。特殊風(fēng)荷載產(chǎn)生的風(fēng)吸作用更為強(qiáng)烈，可抵消一部分結(jié)構(gòu)的豎向作用力，對(duì)鋼框架受力有利。設(shè)計(jì)工況取最不利情況，設(shè)計(jì)中按照水平向風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)應(yīng)力比控制鋼框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計(jì)尺寸，綜合協(xié)調(diào)柱強(qiáng)度應(yīng)力比、柱平面內(nèi)穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)力比、柱平面平外穩(wěn) 定應(yīng)力比、梁強(qiáng)度驗(yàn)算應(yīng)力比、梁穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)力比、梁抗剪計(jì)算應(yīng)力比，做到梁柱應(yīng)力比均接近于0.85的限值，在滿足結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。

表8 梁應(yīng)力比在不同類型風(fēng)荷載工況下的變化趨勢(shì)

(2)通過(guò)調(diào)整梁、柱結(jié)構(gòu)尺寸，不斷進(jìn)行應(yīng)力比優(yōu)化，最終取得“理想?yún)^(qū)”鋼框架模型。

(3)地震烈度對(duì)鋼框架模型應(yīng)力比優(yōu)化影響很小，不同烈度地區(qū)柱腳抗震構(gòu)造做法有差異，具體為：鋼柱腳宜采用埋入式，也可采用外包式；地震烈度6度、7度且高度不超過(guò)50 m時(shí)也可采用外露式。

(4)伴隨風(fēng)壓線性增大，柱應(yīng)力比線性增大，主梁應(yīng)力緩慢提高，但次梁應(yīng)力基本保持不變。即風(fēng)壓變化對(duì)柱結(jié)構(gòu)受力影響較大，主梁次之，其他構(gòu)件基本影響不大。

(5)水平風(fēng)荷載作用下的梁柱應(yīng)力都要比特殊風(fēng)荷載大，其中柱的應(yīng)力比差別較大。特殊風(fēng)荷載產(chǎn)生的風(fēng)吸作用更為強(qiáng)烈，可抵消一部分結(jié)構(gòu)的豎向作用力，對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)受力有利。設(shè)計(jì)工況取最不利情況，設(shè)計(jì)中按照水平向風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算。