某加油站钢结构罩棚设计分析

刘兴

黑龙江大学水利电力学院，中国·黑龙江 哈尔滨 150080

论文以某加油站网架结构罩棚为研究对象，分别采用3D3S 和ANSYS 建立罩棚结构模型，对其动力特性进行对比分析。根据实际情况确定结构所受荷载，在不同荷载工况下对结构进行静力分析并考虑结构的经济性。研究结果表明：对于结构的动力特性，3D3S 和ANSYS 计算结构的最大自振周期分别为0.70 和0.73；前9 阶振型中，X、Y、Z 方向的质量参与系数分别为为93.37%、94.28%和15.81%。在结构的静力分析中，结构杆件轴力最大值（受拉）为138.3kN，轴力最小值（受压）为-174.0kN；结构最大正位移和最大负位移分别为5.1mm 和-33.9mm，结构的强度应力比和稳定应力均集中在0.00～0.50，少部分杆件在0.50～0.80 之间。

网架结构；荷载工况；动力特性；静力分析

1 引言

网架网壳体系结构稳定、造型轻盈，不仅节省使用空间，而且满足结构经济性的要求，是设计师在设计大跨度结构时的首要选择。结构的静力特性与动力特性对结构的优化设计与结构的整体稳定性至关重要。近年来，针对结构静动力特性的研究成果层出不穷，张爱林[1-2]等对2008年奥运羽毛球馆弦支穹顶的进行了动力特性分析，并根据分析结果对结构进行了地震时程分析。渠瑞娟[3]详细分析了大跨四坡折板网架结构的静动力特性，为四坡折板网架结构的工程应用提供了重要依据和参考。韩庆华[4]等针对吊顶结构的自振特性进行研究，并对每层附有吊顶的空间钢框架进行了振动台试验。为了研究不同地震输入维数以及地震输入角度对结构响应的影响，张爱林[5]等对屋盖及其支承结构的整体结构进行了动力特性分析。

上述研究仅仅局限于大跨度钢结构的动力特性及地震响应，而对加油站网架结构的动力特性、静力分析十分有限，论文以某加油站双层网架结构罩棚为研究对象，分别采用3D3S 和ANSYS 建立罩棚结构模型，对其动力特性进行对比分析。根据实际情况确定结构所受荷载，在不同荷载工况下对结构进行静力分析并考虑结构的经济性。

2 工程概况

加油站网架结构罩棚占地面积926.7m2，总建筑面积320m2，如图1加油站鸟瞰图所示，结构总长20.0m，宽16.0m，高度9.5m，挑檐长度2.0m。

图1 加油站鸟瞰图

结构效果如图2所示，根据《钢结构设计标准GB50017-2017》[6]和《空间网格技术规程》（JGJ7-2010）[7]，结构设计安全等级为一级，设计使用年限为50年，防火等级为一级。基本风压为0.50kN/m2，地面粗糙度类别为B 类，风压高度变化修正系数为1.00，风荷载计算用阻尼比去0.02。抗震设防烈度为7 度，基本地震加速度为0.10g，场地土类别为Ⅱ类，设计地震分组为第一组，结构重要性系数取1.1。

图2 加油站效果图

3 模型建立与结构特性

3.1 模型建立

加油站钢结构罩棚由双层网架结构和支撑柱子组成。罩棚主体采用焊接空心球网架结构，支撑柱子与地面混凝土墩相连，形成稳定的受力体系。其中网架结构长20.0m，宽16.0m，高1.5m，支撑柱子高8.0m。结构构件均采用圆钢管，钢管截面和数量如表1所示。由3D3S 和ANSYS 建立的整体结构模型分别如图3和图4所示。

表1钢管截面和数量

图3 体育场西看台模型图

图4 体育场西看台模型图

3.2 结构动力特性

采用3D3S 和ANSY 对结构的动力特性进行分析，分别对自振周期、振型以及质量参与系数展开研究。如表2所示：3D3S 和ANSY 计算的结构前9 阶自振周期，可以发现，两种软件计算得到的自振周期非常接近，数据比较可靠。结构最大自振周期为0.70～0.73，符合规范以及结构设计的要求，结构安全合理。

表2 前20 阶自振周期表（单位：s）

图5给出了结构的前四阶振型图，由图可知，结构的前3 阶振型主要由结构的支撑柱子引起，第1、2、3 振型分别为结构向左摆动、结构向右摆动、结构绕柱子方向扭转，第4振型为网架结构中部的整体振动，表现为上下摆动。

图5 结构前4 阶振型

结构前9 阶自振周期与质量参与系数如表3所示，前9阶振型中，X 方向的质量参与系数为93.37%，Y 方向的质量参与系数为94.28%，Z 方向的质量参与系数为15.81%。说明振型主要为X 方向、Y 方向的振动，其中7 阶与X 方向有关，8 阶与Y 方向有关。在设计时，需要注意X、Y 两个方向的动力特性。

表3 前9 阶振型质量参与系数

3.3 荷载选取

3.3.1 恒荷载和活荷载

恒荷载1 表示整个罩棚所受恒荷载，为0.40kN/m2。恒荷载2 表示双层网壳所受恒荷载，为0.30kN/m2。荷载分布如图6（a）所示。取屋面活荷载与雪荷载的最大值。取0.50kN/m2；基本雪压为0.55kN/m2。荷载分布图如图6（b）所示。

图6 荷载分布图

3.3.2 风荷载

结构的风振系数为1.21。当风向延长轴方向时，网壳受风吸作用，水平向网壳体型系数为-0.36，竖直向网壳体型系数为-0.21。当风向垂直长轴方向时，网架受风压作用，水平向网壳体型系数为0.16，竖直向网壳体型系数为0.65。荷载分布图如图6（c）所示。结构恒荷载、活荷载和风荷载如表4所示。

表4 荷载列表(力：kN；弯矩：kN.m)

3.3.3 温度荷载与地震作用

温度的变化对钢结构的影响较大，根据气温资料，最高气温为37℃，最低气温为-6℃，设计中对于双层网架的温度效应整体考虑升温和降温各25℃两种情况，并要求结构合拢温度为 10℃(构件表面温度)。采用振型分解法计算地震作用下结构的反应，水平地震影响系数最大值为0.12，竖向地震作用系数为0.09，周期折减系数取1.00。

4 结构静力分析

4.1 内力分析

由于加油站结构为网架结构和格构式支撑柱子，所以将构件的轴力作为主要研究对象。轴力最大的前十个单元内力表如表5所示，由表可知：轴力最大值（受拉）为138.3kN，轴力最小值（受压）为-174.0kN。构件轴力图如图7所示，由图7（a）可知结构大部分杆件受拉轴力值为-107.2kN～89.2kN，极少部分杆件受拉轴力值为89.2kN～138.3kN，且红颜色杆件均位于双层网架结构上，格构式支撑柱子所受轴力不大，且结构的受力呈轴对称分布。从图7（b）可以发现：结构大部分杆件受压轴力值为-69.7kN～86.5kN，极少部分杆件受压轴力值为-173.9kN～-69.7kN，且红颜色杆件主要分布在双层网架结构边缘和支撑柱子上。

表5 轴力 N 最大和最小的前 10 个单元(单位：kN)

4.2 位移分析

结构位移图如图8所示，计算结果表明：结构最大正位移为5.1mm，位于双层网架结构中间位置，双层网架跨度L约为20m。根据《空间网格技术规程》（JGJ7-2010），容许挠度为L/250，即容许挠度值约为8mm，因此结构竖向变形满足要求。

图8 结构位移图

4.3 应力比分析

结构整体应力比控制在0.85，结构总体应力比分布图如图9所示，根据计算分析模型，进行规范检验，检验结果表明：结构能够满足承载力计算要求，应力比最大值为0.80。图10为构件强度应力比图，结构杆件的强度应力比主要集中在0.00～0.50，少部分杆件的强度应力比在0.50～0.80 之间，结构强度合格。由表6可知，结构强度应力比最大的单元是1260，最大值为0.799，对应的整体稳定应力比、抗剪应力比和长细比均符合规范要求。

图9 结构应力比分布图

图10 构件强度应力比图

表6 “强度应力比”最大的前 10 个单元

5 结语

（1）3D3S 和ANSYS 计算结构的最大自振周期分别为0.70 和0.73，结构前3 阶振型主要由结构的支撑柱子引起，第4 阶振型为网架结构中部上下摆动。

（2）前9 阶振型中，X 方向的质量参与系数为93.37%，Y 方向的质量参与系数为94.28%，Z 方向的质量参与系数为15.81%。振型主要为X 方向、Y 方向的振动，其中7 阶与X方向有关，8 阶与Y 方向有关。

（3）轴力最大值（受拉）为138.3kN，轴力最小值（受压）为-174.0kN。结构大部分杆件受拉轴力值为-107.2kN～89.2kN，结构大部分杆件受压轴力值为-69.7kN～86.5kN，受力较大杆件主要分布在双层网架结构边缘和支撑柱子上。结构最大正位移和最大负位移分别为5.1mm 和-33.9mm，均位于双层网架结构中间位置。

（4）结构的强度应力比和稳定应力均集中在0.00～0.50，少部分杆件在0.50～0.80 之间。结构强度应力比最大的单元是1260，最大值为0.799，结构强度应力比对应的抗剪应力比和长细比均符合规范要求。