葉 棟
(中國石油工程建設(shè)有限公司青海分公司,甘肅敦煌 736200)
近年來,伴隨加油站項(xiàng)目的不斷推進(jìn),新建加油站項(xiàng)目中鋼結(jié)構(gòu)罩棚已然成為了設(shè)計(jì)、施工的重要組成部分。目前罩棚結(jié)構(gòu)形式主要有:鋼框架罩棚和螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)罩棚,一般根據(jù)場地情況和各區(qū)域習(xí)慣確定罩棚結(jié)構(gòu)形式,由于不同設(shè)計(jì)人員對罩棚結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)存在著不同的認(rèn)知,導(dǎo)致在設(shè)計(jì)過程中,出現(xiàn)截面過大、構(gòu)建選型不合理、軟件中設(shè)置參數(shù)不當(dāng)?shù)惹闆r,導(dǎo)致設(shè)計(jì)成果存在一定的個體差異。
本文主要針對通過式鋼框架結(jié)構(gòu)罩棚展開設(shè)計(jì)研究。為得到安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的空間鋼框架罩棚結(jié)構(gòu),采用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件建立多工況情況下的模型,對比分析研究,以期獲得“理想模型”結(jié)構(gòu)。
根據(jù)青藏地區(qū)某已建加油站項(xiàng)目的罩棚構(gòu)件設(shè)計(jì)取值,進(jìn)行驗(yàn)算模型驗(yàn)算(圖1、圖2)。
圖1 鋼框架罩棚三維模型
圖2 鋼框架平面布置
模型概況:
柱距12 m,懸挑5 m(4 m),高度:6.6 m;
抗震設(shè)防烈度:8度,0.2g;
抗震等級:三級;
抗震設(shè)防分類:丙類;
罩棚面活荷載:0.5 kN/m2;
罩棚面恒荷載:0.3 kN/m2;
檐口面豎向恒荷載:1.0 kN/m;
風(fēng)壓修正值:0.5 kN/m2;
水平風(fēng)體型系數(shù):X向體型系數(shù)1.3,Y向體型系數(shù)1.3;
特殊風(fēng)荷載:擋風(fēng)系數(shù)0.15,迎風(fēng)面0.8,背風(fēng)面-0.5,側(cè)風(fēng)面-0.7;
經(jīng)計(jì)算,鋼框架結(jié)構(gòu)各主要受力構(gòu)件應(yīng)力比普遍偏小,間接反映出鋼框架結(jié)構(gòu)鋼材用量偏大。具體數(shù)據(jù)見表1。
針對上部框架梁和下部柱分別進(jìn)行選型設(shè)計(jì)研究。
框架柱截面通常采用矩形鋼柱,截面選型:原設(shè)計(jì)500 mm×500 mm×18 mm(強(qiáng)度應(yīng)力比0.52,穩(wěn)定應(yīng)力比0.23),在參照原截面尺寸基礎(chǔ)上,設(shè)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,對該4種工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。
上部結(jié)構(gòu)經(jīng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算,主梁尺寸為350 mm×250 mm×10 mm×14 mm,次梁為300 mm×200 mm×8 mm×12 mm,挑梁1為350 mm×250 mm×10 mm×14 mm,挑梁2為300 mm×200 mm×8 mm×12 mm,圈梁為200 mm×180 mm×8 mm×10 mm。
在固定上部結(jié)構(gòu)不變的情況下,變化柱截面尺寸,探討柱、梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力比變化特征(表2、圖3)。
根據(jù)表2、圖3可知:伴隨柱截面增大,柱強(qiáng)度應(yīng)力比逐漸減小,同時柱穩(wěn)定性也是隨著柱截面的增大而提高。截面的增大對結(jié)構(gòu)受力有利,但經(jīng)濟(jì)性差,強(qiáng)度計(jì)算柱截面受力在450 mm×450 mm×18 mm位置處出現(xiàn)“理想?yún)^(qū)”,穩(wěn)定性驗(yàn)算在柱截面400 mm×400 mm×18 mm位置處出現(xiàn)“理想?yún)^(qū)”,但該位置區(qū)域強(qiáng)度應(yīng)力比超限。
表1 現(xiàn)狀框架結(jié)構(gòu)應(yīng)力比數(shù)據(jù)
表2 柱應(yīng)力比變化數(shù)據(jù)
圖3 柱應(yīng)力比變化趨勢
表3 梁應(yīng)力比變化數(shù)據(jù)
根據(jù)表3可知:伴隨柱截面增大,主梁應(yīng)力在下降,其他構(gòu)件應(yīng)力比幾乎沒有變化。柱截面的增大,所帶來的剛度增量,對上部結(jié)構(gòu)影響較小,僅對少部分構(gòu)件帶來應(yīng)力比的下降,可下調(diào)主梁的截面尺寸。
梁應(yīng)力比在柱截面400 mm×400 mm×18 mm及450 mm×450 mm×18 mm位置處出現(xiàn)“理想?yún)^(qū)”。
針對柱截面450 mm×450 mm×18 mm區(qū)間的罩棚結(jié)構(gòu),進(jìn)行了壁厚優(yōu)化設(shè)計(jì)。
根據(jù)表4、圖4可知:伴隨柱壁厚的增大,柱強(qiáng)度應(yīng)力比逐漸減小,同時柱穩(wěn)定性也是隨著柱截面的增大而提高。壁厚的增大對結(jié)構(gòu)受力有利,但經(jīng)濟(jì)性差,強(qiáng)度計(jì)算柱截面受力在450 mm×450 mm×14 mm和450 mm×450 mm×16 mm位置處出現(xiàn)“理想?yún)^(qū)”。
圖4 柱應(yīng)力比變化趨勢
綜上所述:綜合考慮上部結(jié)構(gòu)梁體應(yīng)力“理想?yún)^(qū)”和下部柱結(jié)構(gòu)“理想?yún)^(qū)”,柱截面理想?yún)^(qū)處在450 mm×450 mm×16 mm位置。
本章主要針對研究得到的“理想?yún)^(qū)”鋼框架模型,研究地震烈度、風(fēng)壓、特殊風(fēng)荷載對梁柱結(jié)構(gòu)受力影響。
選用“理想?yún)^(qū)”鋼框架結(jié)構(gòu),柱截面450 mm×450 mm×
表4 柱應(yīng)力比變化數(shù)據(jù)
16 mm,主梁尺寸為350 mm×250 mm×10 mm×14 mm,次梁為300 mm×200 mm×8 mm×12 mm,挑梁1為350 mm×250 mm×10 mm×14 mm,挑梁2為300 mm×200 mm×8 mm×12 mm,圈梁為200 mm×180 mm×8 mm×10 mm。設(shè)置地震烈度6度、7度、8度、9度4種工況,研究地震烈度對鋼框架結(jié)構(gòu)的影響(表5)。
表5 柱梁應(yīng)力比在不同地震烈度工況下的變化趨勢
根據(jù)表5中數(shù)據(jù),可知:柱、梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力比在地震烈度不斷增加的情況下,應(yīng)力基本沒有發(fā)生變化。規(guī)范中根據(jù)地震烈度增大,抗震等級在提高,規(guī)范對柱腳提出抗震構(gòu)造措施,對不同地震烈度工況下有級別差異:柱腳宜采用埋入式,也可采用外包式;地震烈度6度、7度且高度不超過50 m時也可采用外露式。
選用“理想?yún)^(qū)”鋼框架結(jié)構(gòu),柱截面450 mm×450 mm×16 mm,主梁尺寸為350 mm×250 mm×10 mm×14 mm,次梁為300 mm×200 mm×8 mm×12 mm,挑梁1為350 mm×250 mm×10 mm×14 mm,挑梁2為300 mm×200 mm×8 mm×12 mm,圈梁為200 mm×180 mm×8 mm×10 mm。設(shè)置風(fēng)壓0.3 kN/m2、0.4 kN/m2、0.5 kN/m2、0.6 kN/m24種工況,研究風(fēng)壓對鋼框架結(jié)構(gòu)的影響(表6、圖5)。
表6 柱梁應(yīng)力比在不同風(fēng)壓工況下的變化趨勢
圖5 柱梁應(yīng)力比在不同風(fēng)壓工況下的變化趨勢
根據(jù)表6中數(shù)據(jù),可知:伴隨風(fēng)壓線性增大,柱應(yīng)力比線性增大,主梁應(yīng)力緩慢提高,但次梁應(yīng)力基本保持不變。即風(fēng)壓變化對柱結(jié)構(gòu)受力影響較大,主梁次之,其他構(gòu)件基本影響不大。
風(fēng)荷載的模擬,對罩棚結(jié)構(gòu)影響較大,常用的方式為:水平向風(fēng)荷載和特殊風(fēng)荷載加載(表7、表8、圖6、圖7)。
(1)水平風(fēng)體型系數(shù):X向體型系數(shù)1.3,Y向體型系數(shù)1.3。
(2)特殊風(fēng)荷載:擋風(fēng)系數(shù)0.15,迎風(fēng)面0.8,背風(fēng)面-0.5,側(cè)風(fēng)面-0.7。
表7 柱應(yīng)力比在不同類型風(fēng)荷載工況下的變化趨勢
圖6 柱應(yīng)力比在不同類型風(fēng)荷載工況下的變化趨勢
圖7 梁應(yīng)力比在不同類型風(fēng)荷載工況下的變化趨勢
根據(jù)表7、表8中數(shù)據(jù)以及變化趨勢,可知:水平風(fēng)荷載作用下的梁柱應(yīng)力都要比特殊風(fēng)荷載大,其中柱的應(yīng)力比差別較大。特殊風(fēng)荷載產(chǎn)生的風(fēng)吸作用更為強(qiáng)烈,可抵消一部分結(jié)構(gòu)的豎向作用力,對鋼框架受力有利。設(shè)計(jì)工況取最不利情況,設(shè)計(jì)中按照水平向風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算。
(1)通過應(yīng)力比控制鋼框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計(jì)尺寸,綜合協(xié)調(diào)柱強(qiáng)度應(yīng)力比、柱平面內(nèi)穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)力比、柱平面平外穩(wěn) 定應(yīng)力比、梁強(qiáng)度驗(yàn)算應(yīng)力比、梁穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)力比、梁抗剪計(jì)算應(yīng)力比,做到梁柱應(yīng)力比均接近于0.85的限值,在滿足結(jié)構(gòu)安全的同時,達(dá)到經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。
表8 梁應(yīng)力比在不同類型風(fēng)荷載工況下的變化趨勢
(2)通過調(diào)整梁、柱結(jié)構(gòu)尺寸,不斷進(jìn)行應(yīng)力比優(yōu)化,最終取得“理想?yún)^(qū)”鋼框架模型。
(3)地震烈度對鋼框架模型應(yīng)力比優(yōu)化影響很小,不同烈度地區(qū)柱腳抗震構(gòu)造做法有差異,具體為:鋼柱腳宜采用埋入式,也可采用外包式;地震烈度6度、7度且高度不超過50 m時也可采用外露式。
(4)伴隨風(fēng)壓線性增大,柱應(yīng)力比線性增大,主梁應(yīng)力緩慢提高,但次梁應(yīng)力基本保持不變。即風(fēng)壓變化對柱結(jié)構(gòu)受力影響較大,主梁次之,其他構(gòu)件基本影響不大。
(5)水平風(fēng)荷載作用下的梁柱應(yīng)力都要比特殊風(fēng)荷載大,其中柱的應(yīng)力比差別較大。特殊風(fēng)荷載產(chǎn)生的風(fēng)吸作用更為強(qiáng)烈,可抵消一部分結(jié)構(gòu)的豎向作用力,對鋼框架結(jié)構(gòu)受力有利。設(shè)計(jì)工況取最不利情況,設(shè)計(jì)中按照水平向風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算。