單坡自行車棚結構設計分析

周小歆

（中海油石化工程有限公司,山東 濟南250010）

在工業建筑中，自行車棚作為公共建筑物設計時一般選用標準圖集做法；當廠區的設計條件不能直接選用圖集做法時，應當單獨做結構設計。因自行車棚屬于比較特殊的一類結構，沒有特定的計算分析軟件，也沒有明確的規范條文，導致設計人員無從下手，設計效率很低。本文針對這類結構設計時所需的簡化計算模型、施加的荷載和約束條件，進行詳細分析。

1 自行車棚結構設計的規定

工業建筑中的自行車棚結構設計應遵循簡潔、輕巧、美觀原則，一般以輕鋼結構為主，中小型自行車棚主要構件一般選用圓鋼管或方鋼管，車棚頂面采用壓型鋼板輕型面板。自行車棚主要受力為恒載、活載（頂棚豎向活載、風荷載、北方地區有雪荷載），抗震設防類別為丁類，一般可不考慮地震作用，其中對結構承載力影響最大的為風荷載。

1.1 剛架主體結構

恒載按照構件材料自重計算。頂棚按水平投影面積計算的豎向活載標準值取0.5 kN/m2。

垂直于構件表面的單位面積風荷載標準值計算

式中：ωk為風荷載標準值；μz為高度變化系數，按照車棚高度和地面粗糙度取值[1]；μs為體型系數；ω0為基本風壓，采用50 a重現期的風壓；β為風振系數，主要構件取1.1。

如果項目位于我國北方地區，還需考慮雪荷載，雪荷載的標準值

式中：SK為雪荷載標準值；μr為積雪分布系數；S0為基本雪壓，按100 a重現期的數值采用。

剛架主體結構的計算模型可參考門式剛架結構，簡化為平面內的剛架進行受力分析。

1.2 附屬結構

自行車棚屬于輕鋼結構，其圍護結構一般為輕鋼屋面檁條，檁條的風荷載計算采用式（1），只是系數取值不同，計算檁條時β取1.5。

因自行車棚主體剛架縱向間距一般在3～5 m，可設計成單跨或連續檁條，因連續檁條的搭接節點做法較復雜且搭接處有空隙，結合不緊密，工程中很少采用，設計中一般以單跨檁條進行計算。屋面板可阻止檁條側向移動和扭轉變形，可僅計算檁條的強度[2]。

式中：Mx’為平面內彎矩設計值；Wenx’為凈截面模量（對冷彎薄壁型鋼）或凈截面模量（對熱軋型鋼）；f為鋼材抗拉強度設計值。

2 工程實例

某石化廠區內自行車棚，剛架縱向距離4 m。當地基本風壓ω0=0.75 kN/m2，地面粗糙度A類。因圖集12J003《室外工程》只能適用于ω0≤0.45 kN/m2的地區；圖集11ZJ901《室外裝修及配件》所有構件只是示意，均需要結構專業復核，因此本工程需單獨做結構分析設計。

2.1 結構形式選擇

參考圖集12J003和11ZJ901，確定了兩種形式。見圖1。

圖1 自行車棚形式

2.2 計算分析

2.2.1 主體結構

1）模型簡化。因車棚屬于構筑物，沒有專屬的設計軟件，現利用PK二維計算程序進行簡化計算。見圖2。

圖2 簡化模型

2）施加荷載。豎桿1-1、2-1外無圍護構件，體型系數μs=0；桿件2-2、2-3外無圍護構件，體型系數μs=0。桿件1-3、2-4有外圍護構件，需考慮風壓力和風吸力作用，右風時風吸力取-1.3、左風時風壓力取0.5。

3）計算結果。形式1的桿件1-1、1-2、1-3選取Q235圓鋼管φ114 mm×6 mm，計算分析結果見圖3。

圖3 形式1鋼結構應力比

由圖3可以看出，結構應力比為0.82，已接近極限。

形式2的桿件2-2、2-3、2-4選取Q235圓鋼管φ114 mm×6 mm，桿件2-1選取Q235圓鋼管φ140 mm×8 mm。簡化模型計算分析結果數據差別不大，可根據柱腳節點做法選擇柱底鉸接或剛接。見圖4。

圖4 形式2鋼結構應力比

形式1和形式2的豎桿尺寸有較大差距，形式2的桿件2-1在柱腳與桿件2-2共同作用，形成三角穩固節點，剛度較大，桿件2-1在柱頂與桿件2-3同理形成剛度較大節點域，從而桿件2-1的應力由中間部分控制，實際結構中，中間部分由2根圓鋼管對焊,見圖5。

圖5 桿件2-1剖面

根據面積相等原則，每根鋼管面積為模型中計算面積的一半，即A1=2A2。根據式（4），等慣性矩換算可確定每根鋼管慣性矩[3]，最后根據鋼管面積和慣性矩選擇相應鋼管型號。計算所需鋼管φ140 mm×8 mm的A1=33.18 cm2,I1=725.21cm4，各型號鋼管的面積和慣性矩見表1。

式中：D1為模型計算的鋼管直徑；D2為設計采用的鋼管直徑；A1為模型中單根鋼管截面積；A2為設計所需單根鋼管截面積；I1為模型計算的慣性矩；I2為慣性矩設計值。

表1 各型號鋼管的面積和慣性矩

從經濟性角度出發，最后確定設計采用鋼管φ95 mm×6 mm。

2.2.2 附屬結構

由于車棚造型美觀、節點構造簡單的原則，附屬的屋面檁條一般選用與主剛架同類型的材料[4]。鑒于本工程主剛架選用的是圓鋼管，屋面檁條依舊按照圓鋼管設計。

因目前軟件的工具箱中，圓鋼管不在可選取的鋼材庫里，參考主剛架的計算原理，選取薄壁矩形鋼管的計算結果作為參考，按照等面積等截面模量的原則進行換算，從而間接算復核要求的圓鋼管型號。見圖6。

圖6 簡支檁條計算參數

計算結果：薄壁矩形鋼管90 mm×40 mm×2.5 m，截面積A為6.1 cm2,截面模量Wx1為13.5 cm3，Wy1為8.5 cm3。根據截面積和等截面模量，查無縫鋼管規格表，對應鋼管規格為φ70 mm×5 mm。

2.3 結果

因兩種輕鋼的自行車棚形式受風壓影響較大，為方便后續工程設計中直接選取，就不同風壓下的兩種自行車棚進行計算并列出設計選用構件，作為標準圖集的補充。見表2。

表2 自行車棚在不同風壓下的構件列

3 結論

1）兩種形式的自行車棚簡化模型中，柱底約束方式對應力計算結構影響不大，可根據具體節點做法選擇柱底剛接或鉸接。

2）自行車棚的風荷載體型系數要按照荷載規范取值，需考慮風壓力和風吸力兩種作用。

3）形式2的自行車棚需通過計算模型和等面積、等慣性矩確定主體構件型號。

4）形式2自行車棚主體構件強度由面積控制，慣性矩遠大于計算值，根據面積相等原則選取鋼管后，可不再驗算慣性矩。

5）附屬構件屋面一般選用簡支檁條，檁條的材料類型一般同主體剛架結構。

6）此次設計是針對不能選取標準圖時的補充計算，可作為相似工程參考依據。