移动式风雨棚钢结构的荷载选取和有限元计算案例

白跃品

（上海城建市政工程（集团）有限公司研发中心，上海200241）

0 引言

移动式风雨棚是应用于船厂、工矿、军工等为克服恶劣天气而在场地不同位置设置的可移动棚式特种机械设备。类似造船这种分段较大较多的工程，天气因素对拼装品质和作业人员的工作环境影响很大，所以需要焊接和吊装尽量在室内完成，移动式风雨棚应运而生[1]。移动式风雨棚由于应用场景限制，结构比较大，目前相应的载荷选取，采用有限元仿真计算研究也比较少。国内风雨棚方面研究现状主要集中在固定式站台或者厂房，大型的主要集中在球场站台或者火车站，设计方法传统保守、费工费时。移动式风雨棚的核心技术不仅在于整体结构强度和刚度满足使用要求，而且要求在强风强雨的工况下，整个风雨棚的钢结构不会被破坏。在整个钢结构设计过程中，荷载的选取对设备运行和制造成本影响很大，必须谨慎对待。

在荷载确定以后，设计人员可以借助计算机有限元软件来辅助设计。有限元分析软件具有整体性、可视性强，方便查询，能对传统设计形成有效的验证和补充。本课题选择大型通用有限元计算软件ANSYS来辅助分析。ANSYS软件作为目前最流行的有限元软件之一，是工程师们开发设计的首选，并广泛应用于核工业、土木工程、机械制造等一般工业及科学研究领域[2]。这里选取一台大型的60 m×45 m移动式风雨棚作为计算实例，运用ANSYS软件对其钢结构进行有限元仿真研究。

1 荷载计算

这台60 m×45 m移动式风雨棚主要北方沿海一个大型船厂，整体结构形式如图1所示，主要外形参数：跨距为60 m，长度45 m，棚顶到棚底25 m，屋顶坡度为6°。整个移动式风雨棚由钢结构、吊物装置、大车运行机构和其他辅助部件构成。移动式风雨棚的主体是钢结构，钢结构是用不同型号的方管拼接而成的空间桁架结构，方管之间的采用焊接连接，立柱用大截面方管，间距是2.5 m，顶棚主要是小截面方管焊接成的空间桁架结构，整个钢结构表面覆盖物主要是彩钢板，在顶部和侧面设置有走台和栏杆等，在风雨棚内部上部还安装有电动葫芦，本台设备顶部共有四套可以独立运作的电动葫芦。在钢结构底部安装有大车运行机构，在大车运行机构上面加装防风锚定，在钢结构外面安装防风系缆。

移动式风雨棚所承受的荷载选取可参考GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，分为恒荷载和活荷载两大类。其中，恒荷载指风雨棚自重引起的荷载，而活荷载较为复杂，包括棚内起重机吊车荷载、风荷载、积灰荷载，北方还要考虑积雪荷载。风荷载和积雪荷载可依据规范或当地气象资料，积灰荷载应根据风雨棚所处的环境，由用户提供相关资料[3]。本文选取对移动式风雨棚影响较大的风荷载和雪荷载来重点介绍

1.1 设计原则

本文钢结构主要考虑以下设计原则：

（1）钢结构设计采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，按分项系数的设计表达式进行计算；对于一般框（排）架结构，可采用简化分项系数设计表达式，具体表达式和各分项系数取值，可以查询GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》，这里不再详细叙述；

（2）各种承重结构均按承载能力极限状态和正常使用极限状态的原则进行设计，一般应按使用条件采用荷载效应的基本组合，在使用中有可能发生事故等偶然性荷载作用时，尚应考虑荷载效应的偶然组合；

（3）设计钢结构时，尚应根据结构破坏可能产生的后果采用不同安全等级，并在荷载效应计算中采用不同的系数。

1.2 雪荷载

移动式风雨棚屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算[3]：

式中：Sk为雪荷载标准值，kN/m2；μr为屋面积雪分布系数；S0为基本雪压，kN/m2。

基本雪压按《建筑结构荷载规范》全国基本雪压分布图的规定采用，按50年一遇的雪荷载标准选用，考虑到本台设备在东北使用，基本雪压要适当提高，具体可以查阅当地的的气候资料，或者遵从相关的结构设计规范。

本钢结构为单跨双坡屋面形式，其屋面积雪分布系数见《建筑结构荷载规范》的相关规定。

1.3 风荷载

垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下式计算[3]：

式中：wk为风荷载标准值，kN/m2；βz为高度处的分项系数；μs为风荷载体型系数；μz为风压高度变化系数；w0为基本风压，kN/m2。

基本风压按《建筑结构荷载规范》全国基本风压分布图的规定采用。按50年一遇的风荷载标准选用，考虑到本台设备主要用于造船厂，海风比较大，基本风压要适当提高，具体可以查阅当地的的年最大风速资料。

本钢结构为单跨中封闭式双坡屋面构筑物，其风荷载体型系数见《建筑结构荷载规范》的相关规定。

1.4 荷载统计

通过以上讨论，结合60 m×45 m移动式风雨棚实际情况，将荷载统计如下表1所示。

表1 载荷统计

1.5 计算工况

计算工况选择依据的是移动式风雨棚实际使用过程的荷载组合状态，分为工作状态和非工作状态两种。工作状态的荷载组合应考虑自重荷载、吊车荷载、风荷载、积灰荷载、雪荷载。主要分4种计算工况：

工况1：只考虑自重荷载；

工况2：考虑自重荷载，吊车荷载（在同一弦架）;

工况3：考虑自重荷载、吊车荷载（在同一弦架）、积灰荷载;

工况4：应用组合系数，考虑自重荷载、吊车荷载（在同一弦架）、风荷载、灰载、雪荷载。

非工作状态的荷载组合应考虑自重荷载、风荷载、积灰荷载、雪荷载。主要分2种计算工况：

工况5：考虑自重荷载、大雪荷载、积灰荷载；

工况6：考虑自重荷载、强风荷载。

2 有限元计算

2.1 建立有限元模型

60 m×45 m移动式风雨棚的钢结构是由多段门式结构组成的空间桁架结构。每段门式结构是由两根工字型立柱和圆管桁架梁组成，各段之间由圆管桁架结构联结。移动式风雨棚钢结构的支腿，一般由型钢焊接组成。风雨棚钢结构设计要求尽量减重，顶部质量越小，对整体性能提高很大，所以，顶部设计尽量直接采用钢管或者型钢等焊接成的桁架结构。

移动式风雨棚钢结构在各种荷载作用下，立柱与空间连结的桁架主要承受弯矩，有限元模型采用梁单元来模拟较好。立柱、型钢、圆管等在ANSYS中建模时位置以一条线段代替，后面可以赋予线段梁单元的材料属性[4]。定义材料（Q235钢）的密度为7.85×10-9t/m3，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3。模型简化去掉了很多附属结构，附属结构的重量在钢结构计算时也要考虑进去，在有限元计算时，可以按比例增大重力加速度数值，以此来保证整机重量不变。

经过在ANSYS中建模、分配单元属性、再划分网格后，最终得到风雨棚有限元模型如图3、4所示。其中单元数：10 944，节点数：22 077。

2.2 有限元分析

60 m×45 m移动式风雨棚钢结构材料为Q235，按照 GB 50009—2012《钢结构设计规范》，其许用应力为215 MPa。许用屋面板挠度：[f]=L/400=150 mm，许用墙面板挠度：[f]=L/400=54 mm。

对上述有限元模型施加边界约束条件，选择上面所述的六种计算工况，分别对门式起重机进行有限元计算。ANSYS软件能直观显示出整体的强度和刚度变化情况，这里选取工作状态的工况4和非工作状态的工况6来举例说明，结果如图2，3所示。六种工况有限元计算结果汇总如表2所示。

（续下图）

（接上图）

图2 工况4整体应力和位移分布云图

图3 工况6整体应力和位移分布云图

表2 有限元应力分析结果汇总表

通过有限元计算结果的分析比较，6种工况的强度应力数值都在许用应力范围内，只有工况6，在强风作用下，屋顶、侧向位移数值超过许用数值，需要加装防风系缆装置。

3 结语

本文通过对60 m×45 m移动式风雨棚钢结构的荷载选取和有限元计算的详细阐述，可以得到如下结论：风雨棚设计时，荷载的选取非常重要，对整机的性能和经济成本影响很大。当荷载和方案出来后，借助有限元软件ANSYS软件可以很好地辅助分析，本课题的有限元分析结果均很好地满足设计需要的强度和刚度要求。本台设备，目前已经投入使用几年，在实际使用过程中运行状态良好，很好地满足了工厂的使用要求。