閆磊

摘 要：油泥池罩棚是一種拱形鋼結(jié)構(gòu)，跨度較大，可達30m。這種結(jié)構(gòu)可對兩側(cè)的支撐柱產(chǎn)生較大的水平推力。該文采用pkpm軟件和Sap2000軟件，對這種結(jié)構(gòu)進行二維和三維模型的分析，詳細論述支撐柱水平力的計算以及結(jié)構(gòu)的受力格局，并論證40m跨度罩棚結(jié)構(gòu)的可行性。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu) 油泥池罩棚 拱結(jié)構(gòu) pkpm Sap2000

中圖分類號：TE992 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）01（b）-00-02

敞口油泥池，每逢雨、雪天氣，尤其是汛期時，油泥池容易發(fā)生油泥外溢，導(dǎo)致污染事故。根據(jù)工程業(yè)主的要求，在油泥池上安裝簡易罩棚，以達到遮擋雨、雪，避免油泥外溢的目的。

1 結(jié)構(gòu)形式

罩棚上部主體結(jié)構(gòu)為由電焊直縫鋼管、圓鋼組成的拱形桁架結(jié)構(gòu)，每個單節(jié)罩棚長7m、寬32.1m，設(shè)置三道拱形桁架。拱形桁架由頂部一根上弦管、底部兩根下弦管及三面腹桿構(gòu)成，桁架斷面呈三角形。拱形桁架跨中起拱高度2.0m。

罩棚面板為0.5mm藍色壓型鋼板，支撐檁條為薄壁矩形鋼管，面板與檁條間采用自攻螺釘連接。罩棚支撐柱采用格構(gòu)式四管柱，支撐柱在平面外設(shè)置側(cè)向支撐，相互連接，以保證其整體穩(wěn)定。鋼結(jié)構(gòu)表面除銹后涂刷防銹漆。

罩棚基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)，每座罩棚兩條基礎(chǔ)，設(shè)置軌道和鋼輪，鋼輪安裝在支撐柱柱底，可沿軌道移動使罩棚打開或閉合。

油泥池罩棚現(xiàn)場圖如圖1所示。

2 計算過程

對于拱形桁架，可抽取單一一榀進行計算，上弦桿采用89×4的電焊鋼管，下弦桿采用76×4的電焊鋼管，弦桿采用Ф25的鋼筋。桁架兩側(cè)的立柱提供了桁架兩側(cè)的水平向約束。若桁架的計算模型兩端的約束采用簡支形式，即一端為豎向水平都約束，而另一端采用豎向約束水平自由，這時桁架就不再是一個拱結(jié)構(gòu)，而僅僅是一個弧形的梁結(jié)構(gòu)，沒有任何的水平向支撐，作用在桁架上的力以及桁架自重完全由桁架自身的變形來承受。若桁架的計算模型兩端都采用豎向以及水平都約束的形式，這時桁架則完全是一個拱形結(jié)構(gòu)，支座提供了足夠的水平支撐。這種情況下支座處的水平反力是極大的，在荷載的標準組合下能達到27kN。而桁架兩邊的柱提供了一定的水平支撐，但是柱頂也有一定的位移，這樣的情形介于上述兩種極端邊界條件之間。桁架自身的變形吸收了一部分荷載，柱提供的水平支撐力抵抗另一部分荷載。

所以支撐柱的柱底會有一定大小的水平力，當支撐柱的高度是2m時，計算得的柱底水平力為荷載的標準組合下8kN。對于不同柱的高度，柱底的水平力大小是不同的，例如當柱的高度為1m高時，柱底的水平反力能達到荷載的標準組合下14kN。這是因為，支撐柱的高度越小，支撐柱對桁架末端提供的抗扭轉(zhuǎn)能力越大，桁架的水平變形就會變得困難，變形相應(yīng)減少，吸收的荷載也就減少，而這部分減少的吸收能力則由柱底的水平支撐提供。

這大大小于計算模型采用豎向水平都約束時的27kN，但也不小。柱底軌道要提供不小的水平支撐力，這對軌道、軌道扣件以及軌道下的基礎(chǔ)就有比較高的要求。當拱形桁架的跨度增加到40m，支撐柱的高度是2m時，計算得的柱底水平力為荷載的標準組合下13kN；支撐柱的高度是1m時，計算得的柱底水平力為荷載的標準組合下23kN。豎向水平都約束時的極端邊界條件下，柱底的水平反力更是達到了35kN。這時對柱底的軌道、軌道扣件以及軌道下的基礎(chǔ)有了更高的要求，即使軌道、軌道扣件和基礎(chǔ)滿足要求，柱底滑動輪與軌道間的摩擦力也會非常大，要推動罩棚移動變得非常困難。

拱形桁架與支撐立柱相接處在結(jié)構(gòu)圖中是以一塊板來填充這一區(qū)域，但pkpm中是無法將這塊板模擬進去的，依然用桁架弦桿和腹桿來建模，這樣計算得的弦桿和腹桿應(yīng)力比很大，超過限值2～3倍。這時要準確計算這塊連接板的應(yīng)力大小，就要用到能模擬這一結(jié)構(gòu)細節(jié)的計算軟件。該文采用的是Sap2000結(jié)構(gòu)計算軟件，將罩棚的三維模型全部予以模擬，這樣算得的連接板應(yīng)力無論是在32.1m還是在40m跨度下都是在設(shè)計值范圍內(nèi)的（如圖2所示）。三維計算模型還能計算得到更準確的拱變形撓度值，三維模型下的拱變形值要略小于pkpm中單一一榀的計算值，這是因為三維模型下，三角形拱截面的底面一榀對桁架的變形是有一定約束作用的，這個作用在pkpm的二維模型中是體現(xiàn)不出來的。Sap2000模型中還能給出其他所有構(gòu)件的受力狀況，當跨度增加到40m時，罩棚結(jié)構(gòu)中有些連接構(gòu)件的要求就要高于32.1m時的情況，例如，同一側(cè)立柱之間的連接桿。準確計算得的這些數(shù)據(jù)對于更清晰地分析結(jié)構(gòu)受力是有很大幫助的。

還有一處需要探討的是三角形的拱形桁架的構(gòu)造，嚴格意義上說，該文采用的這種罩棚結(jié)構(gòu)圖拱形桁架并不能稱為一個三維桁架，因為一個三維桁架要求桁架弦桿和腹桿組成的每個細微結(jié)構(gòu)單元均為四棱錐，而結(jié)構(gòu)圖中僅僅在單一一榀的二維圖中，每個細微的結(jié)構(gòu)單元為三角形，在三維情形下，有些單元為五棱錐。這只是二維情況下的桁架，而不是三維桁架。但是這種二維情況下的桁架就已經(jīng)能滿足承載力要求，能承受住結(jié)構(gòu)所受的荷載。

3 結(jié)語

過大的跨度會導(dǎo)致拱形桁架兩側(cè)支撐柱的柱底水平反力過大，柱底的軌道和基礎(chǔ)很難滿足承載力要求，同時影響罩棚的移動。并且過大的跨度會對連接構(gòu)件有較高要求，所以罩棚跨度不宜過大。

參考文獻

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