李從偉

（廣西廣投清潔能源有限公司，廣西南寧530028）

加油站罩棚結(jié)構(gòu)有限元分析及對設(shè)計施工的建議

李從偉

（廣西廣投清潔能源有限公司，廣西南寧530028）

利用結(jié)構(gòu)有限元軟件ANSYS，完成了加油站鋼罩棚的參數(shù)化建模，將設(shè)計載荷施加于相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析模型，進行有限元分析，得出各種環(huán)境下鋼罩棚的結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力分布，并對加油站罩棚設(shè)計、施工及日常維護提出建議。

加油站鋼罩棚；結(jié)構(gòu)有限元分析；ANSYS；建議

鋼罩棚是加油站的重要設(shè)施，目前加油站普遍使用的鋼罩棚大體分為兩種：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和輕鋼結(jié)構(gòu)。鋼罩棚具有跨度大、空間受力、自重輕、抗震好、施工快、造型多樣、結(jié)構(gòu)美觀、建造速度快等諸多優(yōu)點，綜合經(jīng)濟效益大大優(yōu)于混凝土結(jié)構(gòu)建筑，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

隨著中石化加油（氣）站網(wǎng)絡(luò)的加大布局，鋼罩棚所處的自然環(huán)境差別很大，北方要考慮風雪載荷和冰凍腐蝕，南方要考慮臺風和暴雨等，對鋼罩棚性能可靠、牢固的要求逐步提高。特別是近幾年來，加油站鋼罩棚坍塌事故時有發(fā)生，例如2008年江蘇遭受53年不遇的暴雪、冰凍災(zāi)害，江蘇省有27座加油站網(wǎng)架整體或部分坍塌；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，對鋼罩棚進行結(jié)構(gòu)分析，提高其安全性能勢在必行。

國外對鋼結(jié)構(gòu)罩棚的研究已經(jīng)形成了一整套較成熟的理論方法，其建設(shè)及應(yīng)用涉及機場、酒店、展覽等場合，但國內(nèi)對鋼結(jié)構(gòu)的研究還處于基礎(chǔ)階段，特別是先進的設(shè)計、分析方法還處于起步階段，部分學者開始對雪載荷下的鋼罩棚進行分析[1]，也有一些學者進行了加固方案的研究[2]，還有一些研究人員對鋼罩棚的發(fā)展趨勢進行了探討[3]。但是總體來看，都是就施工或維修或運用經(jīng)典力學的復核計算，還沒有對加油站鋼罩棚進行整體的有限元分析，甚至優(yōu)化設(shè)計。

因此，為了提高加油站設(shè)備設(shè)施的牢固性，運用結(jié)構(gòu)有限元分析方法，對加油站鋼罩棚進行結(jié)構(gòu)有限元分析是非常必要的，不僅可以提高結(jié)構(gòu)的牢固性、耐久性，還能大大節(jié)省產(chǎn)品的冗余設(shè)計，降低不必要的設(shè)計浪費。

1 ANSYS軟件及其在鋼罩棚結(jié)構(gòu)分析的應(yīng)用簡介

結(jié)構(gòu)有限元分析是利用計算機對結(jié)構(gòu)在載荷作用下的變形、應(yīng)力等進行離散數(shù)值計算的現(xiàn)代方法[4]。其基本作法是將結(jié)構(gòu)離散為有限的通過節(jié)點相連的單元，根據(jù)需要選取盡可能多的節(jié)點，以這種網(wǎng)格結(jié)構(gòu)模擬原結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)有限元分析的基本計算是求解大型線性剛度方程組，節(jié)點位移為未知向量，承受載荷為已知向量，結(jié)構(gòu)剛度矩陣作為系數(shù)矩陣，剛度矩陣按照幾何位置進行組集。單元剛陣則是根據(jù)單元性質(zhì)、材料性質(zhì)，截面特性、單元尺寸、單元內(nèi)各點位移與單元節(jié)點位移的關(guān)系及物理彈性關(guān)系、靜力平衡關(guān)系、幾何協(xié)調(diào)關(guān)系求得的。結(jié)構(gòu)靜力分析是利用高效計算方法求解上述結(jié)構(gòu)剛度方程得到各節(jié)點位移后，再利用單元剛陣及位移關(guān)系求解各單元應(yīng)力。

結(jié)構(gòu)有限元分析因其對各類工程結(jié)構(gòu)的動靜力分析具有廣泛適用，計算結(jié)果和與實際情況有很高的吻合精度，容易使用，而獲得越來越廣泛的應(yīng)用。

ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件其由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor，I－DEAS，AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具之一。對鋼罩棚而言，應(yīng)力分析及擾度變性是考慮結(jié)構(gòu)強度和剛度的主要因素，傳統(tǒng)方法需要現(xiàn)場人工測量，數(shù)據(jù)精確度受諸多客觀條件的限制。而利用ANSYS分析軟件，只需要對圖紙進行核算，找出危險點及變性較大的地方，然后再現(xiàn)場對危險部位進行復測復核，大大的降低了勞動強度，提高了檢測的實用性。

為完成鋼罩棚結(jié)構(gòu)有限元分析，需要完成了包括各種環(huán)境載荷的處理及計算、結(jié)構(gòu)有限元分析建模、結(jié)構(gòu)有限元分析計算、危險點的復核確認等四方面的內(nèi)容。以廣西公司加油站跨度為12 m的鋼罩棚為例，具體步驟如下：首先根據(jù)設(shè)計圖紙的各種載荷及許用應(yīng)力，確定出各種自然狀況下結(jié)構(gòu)的承載方式、載荷數(shù)據(jù)及材料特性數(shù)據(jù)；然后利用國內(nèi)外流行的結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS，對鋼罩棚結(jié)構(gòu)進行有限元分析建模，主要是采用該模型對普通自然環(huán)境、風雨天氣和支點不對立柱中心3種工況載荷作用下的變形與應(yīng)力分布進行分析計算，求得各工況應(yīng)力較大的危險點，為結(jié)構(gòu)加固提供依據(jù)。

2 結(jié)構(gòu)載荷的確定及結(jié)構(gòu)簡化的原則

2.1 加油站鋼罩棚平面圖及構(gòu)成

該罩棚為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，最大跨度為12 m，四根支撐立柱，三面標識。具體如圖1所示。

圖1 罩棚結(jié)構(gòu)圖

2.2 結(jié)構(gòu)載荷的確定

根據(jù)實際加油站罩棚分析知，罩棚主要承受自身的自重載荷、標識的自重載荷及吊頂?shù)淖灾剌d荷，為均布荷載；在惡劣環(huán)境下要考慮均布的雨載及側(cè)邊的風載；同時需考慮到安裝偏移造成的結(jié)構(gòu)變形引起荷載。

考慮廣西處于沿海地區(qū)，暴風雨較多，這里風載取0.35 kn/m2，側(cè)向上施加到長邊面，雨載荷取0.1 kn/m2，施加到罩棚頂部。經(jīng)統(tǒng)計，實際施工中出現(xiàn)的支柱偏移一般在10 cm以內(nèi)，從最危險情況考慮，橫向偏移量為10 cm.根據(jù)圖紙分析，網(wǎng)架材質(zhì)一般取Q235，鋼管許用應(yīng)力不應(yīng)大于195 MPa.根據(jù)設(shè)計，罩棚擾度應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。

2.3 結(jié)構(gòu)簡化的思路

由于其組成工藝相對較多，內(nèi)部尺寸大小不一且含有許多復雜實體，存在很多接觸問題，較難對其進行精確的有限元分析，加之罩棚受力情況較復雜，因此在不影響結(jié)構(gòu)分析的情況下，必須對其進行合理簡化。在鋼罩棚中構(gòu)件主要承受拉力及壓力，故將拉壓桿簡化為桿單位；由于彩鋼瓦、標識在實際中提供自重及作為風載、雨載的支撐條件，故簡化為板單元；球鉸在實際中提供鉸接作用，將其簡化為節(jié)點；彩鋼瓦之間通過排水槽連接，為處理方便，直接將彩鋼瓦與上球鉸焊接處理。為計算方便，結(jié)構(gòu)中去掉排水槽及視頻線路等。通過合理的簡化，大大減少了建模和分析工作量，同時又保證了整個分析模型更加接近于真實情況。

3 罩棚結(jié)構(gòu)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，將主要結(jié)構(gòu)形狀與構(gòu)件尺寸設(shè)為可變參數(shù)，完成結(jié)構(gòu)的參數(shù)化造型[5，6]。圖2為經(jīng)過簡化得到的某加油站罩棚結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型。

圖2 罩棚結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型

采用板單元對結(jié)構(gòu)進行有限元分析建模，該模型具有5 165個節(jié)點，6 013個單元，其中大部分板面結(jié)構(gòu)為SHELL63板單元，構(gòu)件等受力的結(jié)構(gòu)部分采用beam88單元。對該結(jié)構(gòu)進行節(jié)點單元網(wǎng)格劃分后的離散結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 罩棚的離散結(jié)構(gòu)

3.2 各種載荷下的加載分析

根據(jù)實際情況將載荷及約束施加到有限元模型，通過ANSYS分析軟件分析，得到的應(yīng)力分布如圖4所示，從圖4可以看出，正常自然環(huán)境下整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大部分在20 MPa以下。

圖4自然情況下全局應(yīng)力分布云圖

圖5 是在有暴風雨情況下的應(yīng)力分布云圖，可以看出結(jié)構(gòu)應(yīng)力大都在35 MPa內(nèi)，最大復合應(yīng)力為52 MPa，發(fā)生在風吹方向的支撐處，整體應(yīng)力情況比正常情況下高。

圖6 是在安裝偏心且有暴風雨情況下應(yīng)力分布云圖，可以看出結(jié)構(gòu)應(yīng)力大部分超過200 MPa，結(jié)構(gòu)大應(yīng)力主要分布在安裝偏心的相反方向以及因形變產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)等部分。局部結(jié)構(gòu)最大復合應(yīng)力發(fā)生在偏心位置后邊的支撐處，為986 MPa.

圖6 安裝偏心且有暴風雨情況下全局應(yīng)力分布云圖

4 對加油站罩棚設(shè)計、施工及使用的建議

由分析結(jié)果可知，除因建模引起的集中應(yīng)力外，暴風雨對結(jié)構(gòu)整體性能有所影響，但若同時存在安裝偏心，對結(jié)構(gòu)破壞巨大，這對加油站罩棚的設(shè)計、施工及日常使用提出了新要求：

4.1 設(shè)計方面

（1）加油站罩棚設(shè)計中應(yīng)選用合理的荷載大小和荷載組合：南方應(yīng)考慮暴風雨荷載的影響，北方應(yīng)考慮暴風雪載荷影響。

（2）應(yīng)充分考慮到暴風雨雪荷載對結(jié)構(gòu)的敏感程度比自重要高，建議對加油站罩棚采用l00年重現(xiàn)期的風壓值和雨壓值。

（3）選用合理的罩棚類型、跨度及標識厚度，對于暴風雨經(jīng)過區(qū)域，不宜采用蒙古包結(jié)構(gòu)，不宜采用大跨度且厚重的標識。

（4）嚴禁設(shè)計承受拉壓載荷以外類型的網(wǎng)架構(gòu)建。

（5）建議對加油站少做或不做吊頂，以減輕結(jié)構(gòu)自重。安裝吊頂前應(yīng)對罩棚進行核算，并應(yīng)留檢查口，以便檢查和維護保養(yǎng)。

（6）鋼結(jié)構(gòu)柱的柱腳應(yīng)采取有效的防銹措施。

（7）罩棚頂部的排水要拋大考慮，在雨水較多的北海、欽州等地可選擇使用D120排水管道。

4.2 施工方面

（1）施工單位必須擁有相應(yīng)的施工資質(zhì)，并有該類結(jié)構(gòu)的施工經(jīng)驗；應(yīng)編寫施工組織設(shè)計文件；施工過程應(yīng)有監(jiān)理；所有結(jié)構(gòu)材料均應(yīng)有質(zhì)保書或檢測報告。

（2）嚴格按照設(shè)計文件和施工規(guī)范、規(guī)程要求施工：網(wǎng)架施工中應(yīng)精確加工桿件長度．嚴禁對超長構(gòu)件彎曲，以適應(yīng)尺寸需要。

（3）安裝時桿端應(yīng)交于節(jié)點中心，不得偏心。

（4）網(wǎng)架、桁架結(jié)構(gòu)的桿件節(jié)間嚴禁附加支撐、吊掛重物。

（6）做好桿件的除銹，按設(shè)計做好防銹涂層．對螺栓球節(jié)點上不用的螺孔應(yīng)封閉。

（7）罩棚支座應(yīng)與柱頂連接牢固，柱腳應(yīng)與基礎(chǔ)連接牢固。

（8）施工過程中和結(jié)構(gòu)封頂時均應(yīng)有質(zhì)監(jiān)站的參與，結(jié)構(gòu)材料和施工質(zhì)量應(yīng)符合驗收標準。

4.3 使用方面

（1）對員工進行結(jié)構(gòu)安全培訓，普及結(jié)構(gòu)安全基本知識；特別注意鋼柱柱腳的銹蝕和桁架角鋼的銹蝕；發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)盡快向上級部門匯報。

（2）遇到特別惡劣氣候、惡劣環(huán)境時應(yīng)及時關(guān)閉加油站，禁止車輛、行人進入加油站。

（3）對收購的加油站和無正規(guī)設(shè)計圖紙、無竣工驗收資料的加油站，應(yīng)立即請有資質(zhì)的單位進行安全評估，確定是否繼續(xù)利用。

（5）加油站使用中應(yīng)有資質(zhì)的結(jié)構(gòu)安全評估機構(gòu)定期進行結(jié)構(gòu)安全檢查，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，如構(gòu)件銹蝕、廣告牌松動、屋面積灰、排水管堵塞等問題。建議每2年進行一次結(jié)構(gòu)安全檢查。

（6）應(yīng)按照評價結(jié)論，對結(jié)構(gòu)不合格的加油站應(yīng)請有資質(zhì)的單位進行加固或拆除；對結(jié)構(gòu)合格的加油站，應(yīng)做好桿件除銹、涂刷防銹漆、清理屋面積灰（尤其是排水溝積灰）、清通排水管等維修保養(yǎng)工作，消除安全隱患。

5 總結(jié)及展望

通過對加油站罩棚的荷載分析及結(jié)構(gòu)的簡化，利用結(jié)構(gòu)有限元軟件ANSYS完成了結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模。將各情況下的載荷施加于相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析模型，進行有限元分析，得出各種情況下的結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力分布，為加油站罩棚設(shè)計、施工及日常維護提供一定的理論支撐。

為了加強加油站鋼罩棚的結(jié)構(gòu)分析，還可以在輕鋼結(jié)構(gòu)及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的對比分析、安裝偏心對不同跨度鋼罩棚的影響、動態(tài)模擬風載對結(jié)構(gòu)變形的影響等方面展開研究。

[1]張哲，張猛.某加油站鋼結(jié)構(gòu)罩棚風荷載研究及設(shè)計建議[J].四川建筑科學研究，2009，02（35）：1.

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[5]陳樹勛.工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分析、綜合與優(yōu)化設(shè)計——理論、方法及工程應(yīng)用案例[M].香港：中國科學文化出版社，2008.

[6]陳樹勛.精密復雜結(jié)構(gòu)的幾種現(xiàn)代設(shè)計方法[M].北京：北京航空航天大學出版社，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">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0186-04

2017-02-30

作者介紹：李從偉（1983-），湖北十堰人，工學碩士，工程師，從事石化及能源行業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計和管理工作。