钢框架结构罩棚设计

叶 栋

(中国石油工程建设有限公司青海分公司，甘肃敦煌 736200)

近年来，伴随加油站项目的不断推进，新建加油站项目中钢结构罩棚已然成为了设计、施工的重要组成部分。目前罩棚结构形式主要有：钢框架罩棚和螺栓球网架结构罩棚，一般根据场地情况和各区域习惯确定罩棚结构形式，由于不同设计人员对罩棚结构的设计存在着不同的认知，导致在设计过程中，出现截面过大、构建选型不合理、软件中设置参数不当等情况，导致设计成果存在一定的个体差异。

本文主要针对通过式钢框架结构罩棚展开设计研究。为得到安全、可靠、经济的空间钢框架罩棚结构，采用结构计算软件建立多工况情况下的模型，对比分析研究，以期获得“理想模型”结构。

1 钢框架结构验算

根据青藏地区某已建加油站项目的罩棚构件设计取值，进行验算模型验算(图1、图2)。

图1 钢框架罩棚三维模型

图2 钢框架平面布置

模型概况：

柱距12 m，悬挑5 m(4 m)，高度：6.6 m；

抗震设防烈度：8度，0.2g；

抗震等级：三级；

抗震设防分类：丙类；

罩棚面活荷载：0.5 kN/m2；

罩棚面恒荷载：0.3 kN/m2；

檐口面竖向恒荷载：1.0 kN/m；

风压修正值：0.5 kN/m2；

水平风体型系数：X向体型系数1.3，Y向体型系数1.3；

特殊风荷载：挡风系数0.15，迎风面0.8，背风面-0.5，侧风面-0.7；

经计算，钢框架结构各主要受力构件应力比普遍偏小，间接反映出钢框架结构钢材用量偏大。具体数据见表1。

2 钢框架结构的构建

针对上部框架梁和下部柱分别进行选型设计研究。

框架柱截面通常采用矩形钢柱，截面选型：原设计500 mm×500 mm×18 mm(强度应力比0.52，稳定应力比0.23)，在参照原截面尺寸基础上，设置350 mm×35 mm×18 mm、400 mm×400 mm×18 mm、450 mm×450 mm×18 mm、550 mm×550 mm×18 mm，对该4种工况进行结构计算。

上部结构经结构优化计算，主梁尺寸为350 mm×250 mm×10 mm×14 mm，次梁为300 mm×200 mm×8 mm×12 mm，挑梁1为350 mm×250 mm×10 mm×14 mm，挑梁2为300 mm×200 mm×8 mm×12 mm，圈梁为200 mm×180 mm×8 mm×10 mm。

在固定上部结构不变的情况下，变化柱截面尺寸，探讨柱、梁结构应力比变化特征(表2、图3)。

根据表2、图3可知：伴随柱截面增大，柱强度应力比逐渐减小，同时柱稳定性也是随着柱截面的增大而提高。截面的增大对结构受力有利，但经济性差，强度计算柱截面受力在450 mm×450 mm×18 mm位置处出现“理想区”，稳定性验算在柱截面400 mm×400 mm×18 mm位置处出现“理想区”，但该位置区域强度应力比超限。

表1 现状框架结构应力比数据

表2 柱应力比变化数据

图3 柱应力比变化趋势

表3 梁应力比变化数据

根据表3可知：伴随柱截面增大，主梁应力在下降，其他构件应力比几乎没有变化。柱截面的增大，所带来的刚度增量，对上部结构影响较小，仅对少部分构件带来应力比的下降，可下调主梁的截面尺寸。

梁应力比在柱截面400 mm×400 mm×18 mm及450 mm×450 mm×18 mm位置处出现“理想区”。

针对柱截面450 mm×450 mm×18 mm区间的罩棚结构，进行了壁厚优化设计。

根据表4、图4可知：伴随柱壁厚的增大，柱强度应力比逐渐减小，同时柱稳定性也是随着柱截面的增大而提高。壁厚的增大对结构受力有利，但经济性差，强度计算柱截面受力在450 mm×450 mm×14 mm和450 mm×450 mm×16 mm位置处出现“理想区”。

图4 柱应力比变化趋势

综上所述：综合考虑上部结构梁体应力“理想区”和下部柱结构“理想区”，柱截面理想区处在450 mm×450 mm×16 mm位置。

3 “理想区”钢框架结构受力研究

本章主要针对研究得到的“理想区”钢框架模型，研究地震烈度、风压、特殊风荷载对梁柱结构受力影响。

3.1 地震烈度影响因素

选用“理想区”钢框架结构，柱截面450 mm×450 mm×

表4 柱应力比变化数据

16 mm，主梁尺寸为350 mm×250 mm×10 mm×14 mm，次梁为300 mm×200 mm×8 mm×12 mm，挑梁1为350 mm×250 mm×10 mm×14 mm，挑梁2为300 mm×200 mm×8 mm×12 mm，圈梁为200 mm×180 mm×8 mm×10 mm。设置地震烈度6度、7度、8度、9度4种工况，研究地震烈度对钢框架结构的影响(表5)。

表5 柱梁应力比在不同地震烈度工况下的变化趋势

根据表5中数据，可知：柱、梁结构应力比在地震烈度不断增加的情况下，应力基本没有发生变化。规范中根据地震烈度增大，抗震等级在提高，规范对柱脚提出抗震构造措施，对不同地震烈度工况下有级别差异：柱脚宜采用埋入式，也可采用外包式；地震烈度6度、7度且高度不超过50 m时也可采用外露式。

3.2 风压影响因素

选用“理想区”钢框架结构，柱截面450 mm×450 mm×16 mm，主梁尺寸为350 mm×250 mm×10 mm×14 mm，次梁为300 mm×200 mm×8 mm×12 mm，挑梁1为350 mm×250 mm×10 mm×14 mm，挑梁2为300 mm×200 mm×8 mm×12 mm，圈梁为200 mm×180 mm×8 mm×10 mm。设置风压0.3 kN/m2、0.4 kN/m2、0.5 kN/m2、0.6 kN/m24种工况，研究风压对钢框架结构的影响(表6、图5)。

表6 柱梁应力比在不同风压工况下的变化趋势

图5 柱梁应力比在不同风压工况下的变化趋势

根据表6中数据，可知：伴随风压线性增大，柱应力比线性增大，主梁应力缓慢提高，但次梁应力基本保持不变。即风压变化对柱结构受力影响较大，主梁次之，其他构件基本影响不大。

3.3 特殊风荷载影响因素

风荷载的模拟，对罩棚结构影响较大，常用的方式为：水平向风荷载和特殊风荷载加载(表7、表8、图6、图7)。

(1)水平风体型系数：X向体型系数1.3，Y向体型系数1.3。

(2)特殊风荷载：挡风系数0.15，迎风面0.8，背风面-0.5，侧风面-0.7。

表7 柱应力比在不同类型风荷载工况下的变化趋势

图6 柱应力比在不同类型风荷载工况下的变化趋势

图7 梁应力比在不同类型风荷载工况下的变化趋势

根据表7、表8中数据以及变化趋势，可知：水平风荷载作用下的梁柱应力都要比特殊风荷载大，其中柱的应力比差别较大。特殊风荷载产生的风吸作用更为强烈，可抵消一部分结构的竖向作用力，对钢框架受力有利。设计工况取最不利情况，设计中按照水平向风荷载进行计算。

4 结论

(1)通过应力比控制钢框架结构的构件设计尺寸，综合协调柱强度应力比、柱平面内稳定验算应力比、柱平面平外稳 定应力比、梁强度验算应力比、梁稳定计算应力比、梁抗剪计算应力比，做到梁柱应力比均接近于0.85的限值，在满足结构安全的同时，达到经济性最优。

表8 梁应力比在不同类型风荷载工况下的变化趋势

(2)通过调整梁、柱结构尺寸，不断进行应力比优化，最终取得“理想区”钢框架模型。

(3)地震烈度对钢框架模型应力比优化影响很小，不同烈度地区柱脚抗震构造做法有差异，具体为：钢柱脚宜采用埋入式，也可采用外包式；地震烈度6度、7度且高度不超过50 m时也可采用外露式。

(4)伴随风压线性增大，柱应力比线性增大，主梁应力缓慢提高，但次梁应力基本保持不变。即风压变化对柱结构受力影响较大，主梁次之，其他构件基本影响不大。

(5)水平风荷载作用下的梁柱应力都要比特殊风荷载大，其中柱的应力比差别较大。特殊风荷载产生的风吸作用更为强烈，可抵消一部分结构的竖向作用力，对钢框架结构受力有利。设计工况取最不利情况，设计中按照水平向风荷载进行计算。