冰雪荷載下的鋼網架極限承載力及其致災分析

牛 婧

（河北冶金建設集團有限公司，河北 邯鄲 056000）

本文以某加油站罩棚鋼網架結構為例，分析冰雪荷載作用下鋼網架的致災機理及其極限承載力，并提出臨時加固措施[1]。

1 極限承載力實際工程算例

以某一實際工程作為本次研究的基礎案例建立分析模型，某加油站罩棚尺寸規格為24000mm×22000mm，528m2的覆蓋面積，共計有200 個鋼網架節點，720 根桿件，達6.735 噸的總用鋼量。選擇Q235 鋼,215N/mm2 的鋼強度設計值，L0=L 為桿件計算長度，拉桿長細比的控制通常是200，壓桿容許長細比180，支座附近150。網架厚度為1300mm，四點支承方式，長邊方向柱距14.6m，兩側分別是5m 和2.25m 的懸挑，短邊方向柱距為13.8m，兩側均為5m 懸挑。

荷載設計如下：1） 屋面上弦靜載標0.135KN/m2；2） 屋面上弦活載0.5KN/m2；3） 基本風壓0.35KN/m2、運用ANSYS開展對該模型幾何材料非線性有限元分析，分別將等同冰雪荷載的作用力施加于上弦節點，之后建立鋼網架的有限元模型，以《建筑結構荷載規范》為依據，根據承載力極限狀態進行荷載效應組合。計算公式如下[3]：

式中：永久荷載分項系數用γG表示；第i 個的可變荷載分項系數用γQi表示。

2 計算結果

根據以上兩種控制組合能夠得出，根據網架上弦節點理論最大荷載值為16.324KN，運用ANSYS 計算可得上弦節點最大荷載力為18.55KN，較理論計算標準明顯大。作為計算得出的桿件應力、節點撓度8 個最大值。

根據上表計算可得鋼網架最大撓度值39.53mm，以《網架設計與施工規程》中的相關規定，根據作為計算公式可以計算得出鋼網架用于屋蓋情況下的容許撓度結果為55mm，因此該鋼網架撓度符合理論標準。并且8 根桿件均處于支座部位，其實際應力值均已接近或達到了設計應力，因此認為網架結構不夠安全[2]。

通過繪制達到網架極限冰雪荷載承載力情況下的桿件應力云圖，能夠發現，多數桿件在承受冰雪荷載作用力時其桿件應力值明顯小于設計應力，但是在支座處的桿件荷載承載力則均已達到最大設計承載力，尤其是懸挑較大側的支座上弦桿以及腹桿處，最為薄弱。

3 冰雪荷載下的鋼網架致災機理分析

3.1 常見鋼網架工程存在的問題

結合以往檢測工作經驗能夠發現，鋼網架的安全隱患問題有著較大差異，通過匯總隱患產生的原因主要包括五類：一是鋼網架結構的桿件、球節點作為受力主體，桿件發生銹蝕會影響承載能力，二是網架的支座發生銹蝕、支座構造存在缺陷影響承載能力，三是由于鋼網架的屋面系統未能做好防水及排水工作，以致屋面板、天溝和檀條腐蝕影響承載能力，四是鋼網架基礎不均勻沉降，五是鋼網架的桿件受力作用不合理影響承載能力[3]。

3.2 冰雪荷載災害下的鋼網架致災機理

根據以上五類常見的鋼網架冰雪致災問題，劃分致災機理如下：

1） 桿件截面削弱，在鋼網架出現桿件銹蝕情況下，會在一定程度上降低桿件可承受的最大拉力，在不利工況下引發鋼網架垮塌；2） 球節點連接失敗。在安裝鋼網架時如若螺栓擰入螺栓球的長度不夠，并未符合螺栓直徑1.1 倍這一標準，即與《規程》中要求不符，一旦極限冰雪荷載作用則會所致桿件和螺栓球被拉開，最終導致桿件脫離球節點，而一旦多個球節點最終均連接失敗，那么這時則會降低網架的整體剛度及安全性；3） 支座未能提供充分支承反力，底板在未能可靠連接預埋件的情況下，僅僅憑借連接的幾個焊點，對于網架尚未達到極限承載力作用下，便已經發生底板和預埋件拉開的問題，還有在螺栓球未能可靠焊接十字板時，同樣會最終造成螺栓球和十字板被拉開致使支座失效；4） 鋼網架桿件存在節間荷載，在設計鋼網架時假設鋼網架的桿件僅僅承受軸向力，一旦發生節間荷載不符合假定計算結果，則會改變鋼網架的整體受力情況，進而因為存在節間荷載力最終減小鋼網架的整體穩定性。

4 結語

鋼網架作為三向受力結構體，合理受力有著較好的空間受力性能與變形恢復性能，在冰雪荷載作用力下，需要重視鋼網架的極限承載力，考慮不同因素產生的網架極限承載力影響，并重視鋼網架的支座、桿件、球節點與桿件和十字板連接以及桿件節間荷載等不同情況下的致災問題，通過臨時搭設腳手架作為支承點，能夠增加鋼網架整體剛度和荷載作用承載力。