加油站罩棚结构有限元分析及对设计施工的建议

李从伟

（广西广投清洁能源有限公司，广西南宁530028）

加油站罩棚结构有限元分析及对设计施工的建议

李从伟

（广西广投清洁能源有限公司，广西南宁530028）

利用结构有限元软件ANSYS，完成了加油站钢罩棚的参数化建模，将设计载荷施加于相应的结构分析模型，进行有限元分析，得出各种环境下钢罩棚的结构位移和应力分布，并对加油站罩棚设计、施工及日常维护提出建议。

加油站钢罩棚；结构有限元分析；ANSYS；建议

钢罩棚是加油站的重要设施，目前加油站普遍使用的钢罩棚大体分为两种：网架结构和轻钢结构。钢罩棚具有跨度大、空间受力、自重轻、抗震好、施工快、造型多样、结构美观、建造速度快等诸多优点，综合经济效益大大优于混凝土结构建筑，得到了越来越广泛的应用。

随着中石化加油（气）站网络的加大布局，钢罩棚所处的自然环境差别很大，北方要考虑风雪载荷和冰冻腐蚀，南方要考虑台风和暴雨等，对钢罩棚性能可靠、牢固的要求逐步提高。特别是近几年来，加油站钢罩棚坍塌事故时有发生，例如2008年江苏遭受53年不遇的暴雪、冰冻灾害，江苏省有27座加油站网架整体或部分坍塌；2009年11月中石油周口分公司某加油站罩棚突然坍塌等，因此，对钢罩棚进行结构分析，提高其安全性能势在必行。

国外对钢结构罩棚的研究已经形成了一整套较成熟的理论方法，其建设及应用涉及机场、酒店、展览等场合，但国内对钢结构的研究还处于基础阶段，特别是先进的设计、分析方法还处于起步阶段，部分学者开始对雪载荷下的钢罩棚进行分析[1]，也有一些学者进行了加固方案的研究[2]，还有一些研究人员对钢罩棚的发展趋势进行了探讨[3]。但是总体来看，都是就施工或维修或运用经典力学的复核计算，还没有对加油站钢罩棚进行整体的有限元分析，甚至优化设计。

因此，为了提高加油站设备设施的牢固性，运用结构有限元分析方法，对加油站钢罩棚进行结构有限元分析是非常必要的，不仅可以提高结构的牢固性、耐久性，还能大大节省产品的冗余设计，降低不必要的设计浪费。

1 ANSYS软件及其在钢罩棚结构分析的应用简介

结构有限元分析是利用计算机对结构在载荷作用下的变形、应力等进行离散数值计算的现代方法[4]。其基本作法是将结构离散为有限的通过节点相连的单元，根据需要选取尽可能多的节点，以这种网格结构模拟原结构。结构有限元分析的基本计算是求解大型线性刚度方程组，节点位移为未知向量，承受载荷为已知向量，结构刚度矩阵作为系数矩阵，刚度矩阵按照几何位置进行组集。单元刚阵则是根据单元性质、材料性质，截面特性、单元尺寸、单元内各点位移与单元节点位移的关系及物理弹性关系、静力平衡关系、几何协调关系求得的。结构静力分析是利用高效计算方法求解上述结构刚度方程得到各节点位移后，再利用单元刚阵及位移关系求解各单元应力。

结构有限元分析因其对各类工程结构的动静力分析具有广泛适用，计算结果和与实际情况有很高的吻合精度，容易使用，而获得越来越广泛的应用。

ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件其由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor，I－DEAS，AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。对钢罩棚而言，应力分析及扰度变性是考虑结构强度和刚度的主要因素，传统方法需要现场人工测量，数据精确度受诸多客观条件的限制。而利用ANSYS分析软件，只需要对图纸进行核算，找出危险点及变性较大的地方，然后再现场对危险部位进行复测复核，大大的降低了劳动强度，提高了检测的实用性。

为完成钢罩棚结构有限元分析，需要完成了包括各种环境载荷的处理及计算、结构有限元分析建模、结构有限元分析计算、危险点的复核确认等四方面的内容。以广西公司加油站跨度为12 m的钢罩棚为例，具体步骤如下：首先根据设计图纸的各种载荷及许用应力，确定出各种自然状况下结构的承载方式、载荷数据及材料特性数据；然后利用国内外流行的结构有限元分析软件ANSYS，对钢罩棚结构进行有限元分析建模，主要是采用该模型对普通自然环境、风雨天气和支点不对立柱中心3种工况载荷作用下的变形与应力分布进行分析计算，求得各工况应力较大的危险点，为结构加固提供依据。

2 结构载荷的确定及结构简化的原则

2.1 加油站钢罩棚平面图及构成

该罩棚为网架结构，最大跨度为12 m，四根支撑立柱，三面标识。具体如图1所示。

图1 罩棚结构图

2.2 结构载荷的确定

根据实际加油站罩棚分析知，罩棚主要承受自身的自重载荷、标识的自重载荷及吊顶的自重载荷，为均布荷载；在恶劣环境下要考虑均布的雨载及侧边的风载；同时需考虑到安装偏移造成的结构变形引起荷载。

考虑广西处于沿海地区，暴风雨较多，这里风载取0.35 kn/m2，侧向上施加到长边面，雨载荷取0.1 kn/m2，施加到罩棚顶部。经统计，实际施工中出现的支柱偏移一般在10 cm以内，从最危险情况考虑，横向偏移量为10 cm.根据图纸分析，网架材质一般取Q235，钢管许用应力不应大于195 MPa.根据设计，罩棚扰度应控制在合理范围内。

2.3 结构简化的思路

由于其组成工艺相对较多，内部尺寸大小不一且含有许多复杂实体，存在很多接触问题，较难对其进行精确的有限元分析，加之罩棚受力情况较复杂，因此在不影响结构分析的情况下，必须对其进行合理简化。在钢罩棚中构件主要承受拉力及压力，故将拉压杆简化为杆单位；由于彩钢瓦、标识在实际中提供自重及作为风载、雨载的支撑条件，故简化为板单元；球铰在实际中提供铰接作用，将其简化为节点；彩钢瓦之间通过排水槽连接，为处理方便，直接将彩钢瓦与上球铰焊接处理。为计算方便，结构中去掉排水槽及视频线路等。通过合理的简化，大大减少了建模和分析工作量，同时又保证了整个分析模型更加接近于真实情况。

3 罩棚结构的始有限元分析

3.1 有限元分析的建模

利用ANSYS的造型工具，将主要结构形状与构件尺寸设为可变参数，完成结构的参数化造型[5，6]。图2为经过简化得到的某加油站罩棚结构参数化模型。

图2 罩棚结构参数化模型

采用板单元对结构进行有限元分析建模，该模型具有5 165个节点，6 013个单元，其中大部分板面结构为SHELL63板单元，构件等受力的结构部分采用beam88单元。对该结构进行节点单元网格划分后的离散结构如图3所示。

图3 罩棚的离散结构

3.2 各种载荷下的加载分析

根据实际情况将载荷及约束施加到有限元模型，通过ANSYS分析软件分析，得到的应力分布如图4所示，从图4可以看出，正常自然环境下整个结构的应力大部分在20 MPa以下。

图4自然情况下全局应力分布云图

图5 是在有暴风雨情况下的应力分布云图，可以看出结构应力大都在35 MPa内，最大复合应力为52 MPa，发生在风吹方向的支撑处，整体应力情况比正常情况下高。

图6 是在安装偏心且有暴风雨情况下应力分布云图，可以看出结构应力大部分超过200 MPa，结构大应力主要分布在安装偏心的相反方向以及因形变产生扭转等部分。局部结构最大复合应力发生在偏心位置后边的支撑处，为986 MPa.

图6 安装偏心且有暴风雨情况下全局应力分布云图

4 对加油站罩棚设计、施工及使用的建议

由分析结果可知，除因建模引起的集中应力外，暴风雨对结构整体性能有所影响，但若同时存在安装偏心，对结构破坏巨大，这对加油站罩棚的设计、施工及日常使用提出了新要求：

4.1 设计方面

（1）加油站罩棚设计中应选用合理的荷载大小和荷载组合：南方应考虑暴风雨荷载的影响，北方应考虑暴风雪载荷影响。

（2）应充分考虑到暴风雨雪荷载对结构的敏感程度比自重要高，建议对加油站罩棚采用l00年重现期的风压值和雨压值。

（3）选用合理的罩棚类型、跨度及标识厚度，对于暴风雨经过区域，不宜采用蒙古包结构，不宜采用大跨度且厚重的标识。

（4）严禁设计承受拉压载荷以外类型的网架构建。

（5）建议对加油站少做或不做吊顶，以减轻结构自重。安装吊顶前应对罩棚进行核算，并应留检查口，以便检查和维护保养。

（6）钢结构柱的柱脚应采取有效的防锈措施。

（7）罩棚顶部的排水要抛大考虑，在雨水较多的北海、钦州等地可选择使用D120排水管道。

4.2 施工方面

（1）施工单位必须拥有相应的施工资质，并有该类结构的施工经验；应编写施工组织设计文件；施工过程应有监理；所有结构材料均应有质保书或检测报告。

（2）严格按照设计文件和施工规范、规程要求施工：网架施工中应精确加工杆件长度．严禁对超长构件弯曲，以适应尺寸需要。

（3）安装时杆端应交于节点中心，不得偏心。

（4）网架、桁架结构的杆件节间严禁附加支撑、吊挂重物。

（6）做好杆件的除锈，按设计做好防锈涂层．对螺栓球节点上不用的螺孔应封闭。

（7）罩棚支座应与柱顶连接牢固，柱脚应与基础连接牢固。

（8）施工过程中和结构封顶时均应有质监站的参与，结构材料和施工质量应符合验收标准。

4.3 使用方面

（1）对员工进行结构安全培训，普及结构安全基本知识；特别注意钢柱柱脚的锈蚀和桁架角钢的锈蚀；发现异常情况，应尽快向上级部门汇报。

（2）遇到特别恶劣气候、恶劣环境时应及时关闭加油站，禁止车辆、行人进入加油站。

（3）对收购的加油站和无正规设计图纸、无竣工验收资料的加油站，应立即请有资质的单位进行安全评估，确定是否继续利用。

（5）加油站使用中应有资质的结构安全评估机构定期进行结构安全检查，及时发现安全隐患，如构件锈蚀、广告牌松动、屋面积灰、排水管堵塞等问题。建议每2年进行一次结构安全检查。

（6）应按照评价结论，对结构不合格的加油站应请有资质的单位进行加固或拆除；对结构合格的加油站，应做好杆件除锈、涂刷防锈漆、清理屋面积灰（尤其是排水沟积灰）、清通排水管等维修保养工作，消除安全隐患。

5 总结及展望

通过对加油站罩棚的荷载分析及结构的简化，利用结构有限元软件ANSYS完成了结构的参数化建模。将各情况下的载荷施加于相应的结构分析模型，进行有限元分析，得出各种情况下的结构位移和应力分布，为加油站罩棚设计、施工及日常维护提供一定的理论支撑。

为了加强加油站钢罩棚的结构分析，还可以在轻钢结构及网架结构的对比分析、安装偏心对不同跨度钢罩棚的影响、动态模拟风载对结构变形的影响等方面展开研究。

[1]张哲，张猛.某加油站钢结构罩棚风荷载研究及设计建议[J].四川建筑科学研究，2009，02（35）：1.

[2]郑辉.雪载荷下的加油站罩棚结构加固实践.建筑安全[J]. 2010（07）：20-23.

[3]袁扬，陈忠范.雪荷载下加油站罩棚倒塌事故分析及若干建议[J].江苏建筑，2009（01）：30-36.

[4]龙驭球.有限元法概论[M].北京：人民教育出版社，1979.

[5]陈树勋.工程结构系统的分析、综合与优化设计——理论、方法及工程应用案例[M].香港：中国科学文化出版社，2008.

[6]陈树勋.精密复杂结构的几种现代设计方法[M].北京：北京航空航天大学出版社，1992.

The Structure Finite Element Analysis of Gas Station Awning and the Advise for Design and Build

LI Cong-wei
（Guangxi GuangTou Clean Energy Co.，Ltd.，Nanning Gunagxi 530028，China）

In this paper，by using finite element analysis software ANSYS，completed the parametric modeling of the gas station steel awning，the design load on the corresponding structure，finite element analysis，obtained under various conditions and structure displacement stiffness and stress distribution，then give the advise for gas station designing and building，convenient for Routine maintenance.

gas station roof；the structure finite element analysi；ANSYS；advise

TU391

B < class="emphasis_bold">文章编号：1

1672-545X（2017）05-0186-04

2017-02-30

作者介绍：李从伟（1983-），湖北十堰人，工学硕士，工程师，从事石化及能源行业结构设计和管理工作。