鋼框架結構罩棚設計

葉 棟

(中國石油工程建設有限公司青海分公司，甘肅敦煌 736200)

近年來，伴隨加油站項目的不斷推進，新建加油站項目中鋼結構罩棚已然成為了設計、施工的重要組成部分。目前罩棚結構形式主要有：鋼框架罩棚和螺栓球網架結構罩棚，一般根據場地情況和各區域習慣確定罩棚結構形式，由于不同設計人員對罩棚結構的設計存在著不同的認知，導致在設計過程中，出現截面過大、構建選型不合理、軟件中設置參數不當等情況，導致設計成果存在一定的個體差異。

本文主要針對通過式鋼框架結構罩棚展開設計研究。為得到安全、可靠、經濟的空間鋼框架罩棚結構，采用結構計算軟件建立多工況情況下的模型，對比分析研究，以期獲得“理想模型”結構。

1 鋼框架結構驗算

根據青藏地區某已建加油站項目的罩棚構件設計取值，進行驗算模型驗算(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；

抗震設防烈度：8度，0.2g；

抗震等級：三級；

抗震設防分類：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；

風壓修正值：0.5 kN/m2；

水平風體型系數：X向體型系數1.3，Y向體型系數1.3；

特殊風荷載：擋風系數0.15，迎風面0.8，背風面-0.5，側風面-0.7；

經計算，鋼框架結構各主要受力構件應力比普遍偏小，間接反映出鋼框架結構鋼材用量偏大。具體數據見表1。

2 鋼框架結構的構建

針對上部框架梁和下部柱分別進行選型設計研究。

框架柱截面通常采用矩形鋼柱，截面選型：原設計500 mm×500 mm×18 mm(強度應力比0.52，穩定應力比0.23)，在參照原截面尺寸基礎上，設置350 mm×35 mm×18 mm、400 mm×400 mm×18 mm、450 mm×450 mm×18 mm、550 mm×550 mm×18 mm，對該4種工況進行結構計算。

上部結構經結構優化計算，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。

在固定上部結構不變的情況下，變化柱截面尺寸，探討柱、梁結構應力比變化特征(表2、圖3)。

根據表2、圖3可知：伴隨柱截面增大，柱強度應力比逐漸減小，同時柱穩定性也是隨著柱截面的增大而提高。截面的增大對結構受力有利，但經濟性差，強度計算柱截面受力在450 mm×450 mm×18 mm位置處出現“理想區”，穩定性驗算在柱截面400 mm×400 mm×18 mm位置處出現“理想區”，但該位置區域強度應力比超限。

表1 現狀框架結構應力比數據

表2 柱應力比變化數據

圖3 柱應力比變化趨勢

表3 梁應力比變化數據

根據表3可知：伴隨柱截面增大，主梁應力在下降，其他構件應力比幾乎沒有變化。柱截面的增大，所帶來的剛度增量，對上部結構影響較小，僅對少部分構件帶來應力比的下降，可下調主梁的截面尺寸。

梁應力比在柱截面400 mm×400 mm×18 mm及450 mm×450 mm×18 mm位置處出現“理想區”。

針對柱截面450 mm×450 mm×18 mm區間的罩棚結構，進行了壁厚優化設計。

根據表4、圖4可知：伴隨柱壁厚的增大，柱強度應力比逐漸減小，同時柱穩定性也是隨著柱截面的增大而提高。壁厚的增大對結構受力有利，但經濟性差，強度計算柱截面受力在450 mm×450 mm×14 mm和450 mm×450 mm×16 mm位置處出現“理想區”。

圖4 柱應力比變化趨勢

綜上所述：綜合考慮上部結構梁體應力“理想區”和下部柱結構“理想區”，柱截面理想區處在450 mm×450 mm×16 mm位置。

3 “理想區”鋼框架結構受力研究

本章主要針對研究得到的“理想區”鋼框架模型，研究地震烈度、風壓、特殊風荷載對梁柱結構受力影響。

3.1 地震烈度影響因素

選用“理想區”鋼框架結構，柱截面450 mm×450 mm×

表4 柱應力比變化數據

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。設置地震烈度6度、7度、8度、9度4種工況，研究地震烈度對鋼框架結構的影響(表5)。

表5 柱梁應力比在不同地震烈度工況下的變化趨勢

根據表5中數據，可知：柱、梁結構應力比在地震烈度不斷增加的情況下，應力基本沒有發生變化。規范中根據地震烈度增大，抗震等級在提高，規范對柱腳提出抗震構造措施，對不同地震烈度工況下有級別差異：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50 m時也可采用外露式。

3.2 風壓影響因素

選用“理想區”鋼框架結構，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。設置風壓0.3 kN/m2、0.4 kN/m2、0.5 kN/m2、0.6 kN/m24種工況，研究風壓對鋼框架結構的影響(表6、圖5)。

表6 柱梁應力比在不同風壓工況下的變化趨勢

圖5 柱梁應力比在不同風壓工況下的變化趨勢

根據表6中數據，可知：伴隨風壓線性增大，柱應力比線性增大，主梁應力緩慢提高，但次梁應力基本保持不變。即風壓變化對柱結構受力影響較大，主梁次之，其他構件基本影響不大。

3.3 特殊風荷載影響因素

風荷載的模擬，對罩棚結構影響較大，常用的方式為：水平向風荷載和特殊風荷載加載(表7、表8、圖6、圖7)。

(1)水平風體型系數：X向體型系數1.3，Y向體型系數1.3。

(2)特殊風荷載：擋風系數0.15，迎風面0.8，背風面-0.5，側風面-0.7。

表7 柱應力比在不同類型風荷載工況下的變化趨勢

圖6 柱應力比在不同類型風荷載工況下的變化趨勢

圖7 梁應力比在不同類型風荷載工況下的變化趨勢

根據表7、表8中數據以及變化趨勢，可知：水平風荷載作用下的梁柱應力都要比特殊風荷載大，其中柱的應力比差別較大。特殊風荷載產生的風吸作用更為強烈，可抵消一部分結構的豎向作用力，對鋼框架受力有利。設計工況取最不利情況，設計中按照水平向風荷載進行計算。

4 結論

(1)通過應力比控制鋼框架結構的構件設計尺寸，綜合協調柱強度應力比、柱平面內穩定驗算應力比、柱平面平外穩 定應力比、梁強度驗算應力比、梁穩定計算應力比、梁抗剪計算應力比，做到梁柱應力比均接近于0.85的限值，在滿足結構安全的同時，達到經濟性最優。

表8 梁應力比在不同類型風荷載工況下的變化趨勢

(2)通過調整梁、柱結構尺寸，不斷進行應力比優化，最終取得“理想區”鋼框架模型。

(3)地震烈度對鋼框架模型應力比優化影響很小，不同烈度地區柱腳抗震構造做法有差異，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50 m時也可采用外露式。

(4)伴隨風壓線性增大，柱應力比線性增大，主梁應力緩慢提高，但次梁應力基本保持不變。即風壓變化對柱結構受力影響較大，主梁次之，其他構件基本影響不大。

(5)水平風荷載作用下的梁柱應力都要比特殊風荷載大，其中柱的應力比差別較大。特殊風荷載產生的風吸作用更為強烈，可抵消一部分結構的豎向作用力，對鋼框架結構受力有利。設計工況取最不利情況，設計中按照水平向風荷載進行計算。