周小歆

（中海油石化工程有限公司,山東 濟(jì)南250010）

在工業(yè)建筑中，自行車(chē)棚作為公共建筑物設(shè)計(jì)時(shí)一般選用標(biāo)準(zhǔn)圖集做法；當(dāng)廠區(qū)的設(shè)計(jì)條件不能直接選用圖集做法時(shí)，應(yīng)當(dāng)單獨(dú)做結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因自行車(chē)棚屬于比較特殊的一類(lèi)結(jié)構(gòu)，沒(méi)有特定的計(jì)算分析軟件，也沒(méi)有明確的規(guī)范條文，導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員無(wú)從下手，設(shè)計(jì)效率很低。本文針對(duì)這類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)所需的簡(jiǎn)化計(jì)算模型、施加的荷載和約束條件，進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 自行車(chē)棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的規(guī)定

工業(yè)建筑中的自行車(chē)棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循簡(jiǎn)潔、輕巧、美觀原則，一般以輕鋼結(jié)構(gòu)為主，中小型自行車(chē)棚主要構(gòu)件一般選用圓鋼管或方鋼管，車(chē)棚頂面采用壓型鋼板輕型面板。自行車(chē)棚主要受力為恒載、活載（頂棚豎向活載、風(fēng)荷載、北方地區(qū)有雪荷載），抗震設(shè)防類(lèi)別為丁類(lèi)，一般可不考慮地震作用，其中對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響最大的為風(fēng)荷載。

1.1 剛架主體結(jié)構(gòu)

恒載按照構(gòu)件材料自重計(jì)算。頂棚按水平投影面積計(jì)算的豎向活載標(biāo)準(zhǔn)值取0.5 kN/m2。

垂直于構(gòu)件表面的單位面積風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算

式中：ωk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值；μz為高度變化系數(shù)，按照車(chē)棚高度和地面粗糙度取值[1]；μs為體型系數(shù)；ω0為基本風(fēng)壓，采用50 a重現(xiàn)期的風(fēng)壓；β為風(fēng)振系數(shù)，主要構(gòu)件取1.1。

如果項(xiàng)目位于我國(guó)北方地區(qū)，還需考慮雪荷載，雪荷載的標(biāo)準(zhǔn)值

式中：SK為雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值；μr為積雪分布系數(shù)；S0為基本雪壓，按100 a重現(xiàn)期的數(shù)值采用。

剛架主體結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型可參考門(mén)式剛架結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為平面內(nèi)的剛架進(jìn)行受力分析。

1.2 附屬結(jié)構(gòu)

自行車(chē)棚屬于輕鋼結(jié)構(gòu)，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般為輕鋼屋面檁條，檁條的風(fēng)荷載計(jì)算采用式（1），只是系數(shù)取值不同，計(jì)算檁條時(shí)β取1.5。

因自行車(chē)棚主體剛架縱向間距一般在3～5 m，可設(shè)計(jì)成單跨或連續(xù)檁條，因連續(xù)檁條的搭接節(jié)點(diǎn)做法較復(fù)雜且搭接處有空隙，結(jié)合不緊密，工程中很少采用，設(shè)計(jì)中一般以單跨檁條進(jìn)行計(jì)算。屋面板可阻止檁條側(cè)向移動(dòng)和扭轉(zhuǎn)變形，可僅計(jì)算檁條的強(qiáng)度[2]。

式中：Mx’為平面內(nèi)彎矩設(shè)計(jì)值；Wenx’為凈截面模量（對(duì)冷彎薄壁型鋼）或凈截面模量（對(duì)熱軋型鋼）；f為鋼材抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

2 工程實(shí)例

某石化廠區(qū)內(nèi)自行車(chē)棚，剛架縱向距離4 m。當(dāng)?shù)鼗撅L(fēng)壓ω0=0.75 kN/m2，地面粗糙度A類(lèi)。因圖集12J003《室外工程》只能適用于ω0≤0.45 kN/m2的地區(qū)；圖集11ZJ901《室外裝修及配件》所有構(gòu)件只是示意，均需要結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)復(fù)核，因此本工程需單獨(dú)做結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)。

2.1 結(jié)構(gòu)形式選擇

參考圖集12J003和11ZJ901，確定了兩種形式。見(jiàn)圖1。

圖1 自行車(chē)棚形式

2.2 計(jì)算分析

2.2.1 主體結(jié)構(gòu)

1）模型簡(jiǎn)化。因車(chē)棚屬于構(gòu)筑物，沒(méi)有專(zhuān)屬的設(shè)計(jì)軟件，現(xiàn)利用PK二維計(jì)算程序進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算。見(jiàn)圖2。

圖2 簡(jiǎn)化模型

2）施加荷載。豎桿1-1、2-1外無(wú)圍護(hù)構(gòu)件，體型系數(shù)μs=0；桿件2-2、2-3外無(wú)圍護(hù)構(gòu)件，體型系數(shù)μs=0。桿件1-3、2-4有外圍護(hù)構(gòu)件，需考慮風(fēng)壓力和風(fēng)吸力作用，右風(fēng)時(shí)風(fēng)吸力取-1.3、左風(fēng)時(shí)風(fēng)壓力取0.5。

3）計(jì)算結(jié)果。形式1的桿件1-1、1-2、1-3選取Q235圓鋼管φ114 mm×6 mm，計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 形式1鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比

由圖3可以看出，結(jié)構(gòu)應(yīng)力比為0.82，已接近極限。

形式2的桿件2-2、2-3、2-4選取Q235圓鋼管φ114 mm×6 mm，桿件2-1選取Q235圓鋼管φ140 mm×8 mm。簡(jiǎn)化模型計(jì)算分析結(jié)果數(shù)據(jù)差別不大，可根據(jù)柱腳節(jié)點(diǎn)做法選擇柱底鉸接或剛接。見(jiàn)圖4。

圖4 形式2鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)力比

形式1和形式2的豎桿尺寸有較大差距，形式2的桿件2-1在柱腳與桿件2-2共同作用，形成三角穩(wěn)固節(jié)點(diǎn)，剛度較大，桿件2-1在柱頂與桿件2-3同理形成剛度較大節(jié)點(diǎn)域，從而桿件2-1的應(yīng)力由中間部分控制，實(shí)際結(jié)構(gòu)中，中間部分由2根圓鋼管對(duì)焊,見(jiàn)圖5。

圖5 桿件2-1剖面

根據(jù)面積相等原則，每根鋼管面積為模型中計(jì)算面積的一半，即A1=2A2。根據(jù)式（4），等慣性矩?fù)Q算可確定每根鋼管慣性矩[3]，最后根據(jù)鋼管面積和慣性矩選擇相應(yīng)鋼管型號(hào)。計(jì)算所需鋼管φ140 mm×8 mm的A1=33.18 cm2,I1=725.21cm4，各型號(hào)鋼管的面積和慣性矩見(jiàn)表1。

式中：D1為模型計(jì)算的鋼管直徑；D2為設(shè)計(jì)采用的鋼管直徑；A1為模型中單根鋼管截面積；A2為設(shè)計(jì)所需單根鋼管截面積；I1為模型計(jì)算的慣性矩；I2為慣性矩設(shè)計(jì)值。

表1 各型號(hào)鋼管的面積和慣性矩

從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，最后確定設(shè)計(jì)采用鋼管φ95 mm×6 mm。

2.2.2 附屬結(jié)構(gòu)

由于車(chē)棚造型美觀、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造簡(jiǎn)單的原則，附屬的屋面檁條一般選用與主剛架同類(lèi)型的材料[4]。鑒于本工程主剛架選用的是圓鋼管，屋面檁條依舊按照?qǐng)A鋼管設(shè)計(jì)。

因目前軟件的工具箱中，圓鋼管不在可選取的鋼材庫(kù)里，參考主剛架的計(jì)算原理，選取薄壁矩形鋼管的計(jì)算結(jié)果作為參考，按照等面積等截面模量的原則進(jìn)行換算，從而間接算復(fù)核要求的圓鋼管型號(hào)。見(jiàn)圖6。

圖6 簡(jiǎn)支檁條計(jì)算參數(shù)

計(jì)算結(jié)果：薄壁矩形鋼管90 mm×40 mm×2.5 m，截面積A為6.1 cm2,截面模量Wx1為13.5 cm3，Wy1為8.5 cm3。根據(jù)截面積和等截面模量，查無(wú)縫鋼管規(guī)格表，對(duì)應(yīng)鋼管規(guī)格為φ70 mm×5 mm。

2.3 結(jié)果

因兩種輕鋼的自行車(chē)棚形式受風(fēng)壓影響較大，為方便后續(xù)工程設(shè)計(jì)中直接選取，就不同風(fēng)壓下的兩種自行車(chē)棚進(jìn)行計(jì)算并列出設(shè)計(jì)選用構(gòu)件，作為標(biāo)準(zhǔn)圖集的補(bǔ)充。見(jiàn)表2。

表2 自行車(chē)棚在不同風(fēng)壓下的構(gòu)件列

3 結(jié)論

1）兩種形式的自行車(chē)棚簡(jiǎn)化模型中，柱底約束方式對(duì)應(yīng)力計(jì)算結(jié)構(gòu)影響不大，可根據(jù)具體節(jié)點(diǎn)做法選擇柱底剛接或鉸接。

2）自行車(chē)棚的風(fēng)荷載體型系數(shù)要按照荷載規(guī)范取值，需考慮風(fēng)壓力和風(fēng)吸力兩種作用。

3）形式2的自行車(chē)棚需通過(guò)計(jì)算模型和等面積、等慣性矩確定主體構(gòu)件型號(hào)。

4）形式2自行車(chē)棚主體構(gòu)件強(qiáng)度由面積控制，慣性矩遠(yuǎn)大于計(jì)算值，根據(jù)面積相等原則選取鋼管后，可不再驗(yàn)算慣性矩。

5）附屬構(gòu)件屋面一般選用簡(jiǎn)支檁條，檁條的材料類(lèi)型一般同主體剛架結(jié)構(gòu)。

6）此次設(shè)計(jì)是針對(duì)不能選取標(biāo)準(zhǔn)圖時(shí)的補(bǔ)充計(jì)算，可作為相似工程參考依據(jù)。