加油站罩棚結構有限元分析及對設計施工的建議

李從偉

（廣西廣投清潔能源有限公司，廣西南寧530028）

加油站罩棚結構有限元分析及對設計施工的建議

李從偉

（廣西廣投清潔能源有限公司，廣西南寧530028）

利用結構有限元軟件ANSYS，完成了加油站鋼罩棚的參數化建模，將設計載荷施加于相應的結構分析模型，進行有限元分析，得出各種環境下鋼罩棚的結構位移和應力分布，并對加油站罩棚設計、施工及日常維護提出建議。

加油站鋼罩棚；結構有限元分析；ANSYS；建議

鋼罩棚是加油站的重要設施，目前加油站普遍使用的鋼罩棚大體分為兩種：網架結構和輕鋼結構。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、結構美觀、建造速度快等諸多優點，綜合經濟效益大大優于混凝土結構建筑，得到了越來越廣泛的應用。

隨著中石化加油（氣）站網絡的加大布局，鋼罩棚所處的自然環境差別很大，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生，例如2008年江蘇遭受53年不遇的暴雪、冰凍災害，江蘇省有27座加油站網架整體或部分坍塌；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，對鋼罩棚進行結構分析，提高其安全性能勢在必行。

國外對鋼結構罩棚的研究已經形成了一整套較成熟的理論方法，其建設及應用涉及機場、酒店、展覽等場合，但國內對鋼結構的研究還處于基礎階段，特別是先進的設計、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，甚至優化設計。

因此，為了提高加油站設備設施的牢固性，運用結構有限元分析方法，對加油站鋼罩棚進行結構有限元分析是非常必要的，不僅可以提高結構的牢固性、耐久性，還能大大節省產品的冗余設計，降低不必要的設計浪費。

1 ANSYS軟件及其在鋼罩棚結構分析的應用簡介

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

結構有限元分析因其對各類工程結構的動靜力分析具有廣泛適用，計算結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用。

ANSYS軟件是融結構、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，它能與多數CAD軟件接口，實現數據的共享和交換，如Pro/Engineer，NASTRAN，Alogor，I－DEAS，AutoCAD等，是現代產品設計中的高級CAE工具之一。對鋼罩棚而言，應力分析及擾度變性是考慮結構強度和剛度的主要因素，傳統方法需要現場人工測量，數據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。

為完成鋼罩棚結構有限元分析，需要完成了包括各種環境載荷的處理及計算、結構有限元分析建模、結構有限元分析計算、危險點的復核確認等四方面的內容。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：首先根據設計圖紙的各種載荷及許用應力，確定出各種自然狀況下結構的承載方式、載荷數據及材料特性數據；然后利用國內外流行的結構有限元分析軟件ANSYS，對鋼罩棚結構進行有限元分析建模，主要是采用該模型對普通自然環境、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力分布進行分析計算，求得各工況應力較大的危險點，為結構加固提供依據。

2 結構載荷的確定及結構簡化的原則

2.1 加油站鋼罩棚平面圖及構成

該罩棚為網架結構，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 罩棚結構圖

2.2 結構載荷的確定

根據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的自重載荷，為均布荷載；在惡劣環境下要考慮均布的雨載及側邊的風載；同時需考慮到安裝偏移造成的結構變形引起荷載。

考慮廣西處于沿海地區，暴風雨較多，這里風載取0.35 kn/m2，側向上施加到長邊面，雨載荷取0.1 kn/m2，施加到罩棚頂部。經統計，實際施工中出現的支柱偏移一般在10 cm以內，從最危險情況考慮，橫向偏移量為10 cm.根據圖紙分析，網架材質一般取Q235，鋼管許用應力不應大于195 MPa.根據設計，罩棚擾度應控制在合理范圍內。

2.3 結構簡化的思路

由于其組成工藝相對較多，內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，因此在不影響結構分析的情況下，必須對其進行合理簡化。在鋼罩棚中構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，結構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 罩棚結構的始有限元分析

3.1 有限元分析的建模

利用ANSYS的造型工具，將主要結構形狀與構件尺寸設為可變參數，完成結構的參數化造型[5，6]。圖2為經過簡化得到的某加油站罩棚結構參數化模型。

圖2 罩棚結構參數化模型

采用板單元對結構進行有限元分析建模，該模型具有5 165個節點，6 013個單元，其中大部分板面結構為SHELL63板單元，構件等受力的結構部分采用beam88單元。對該結構進行節點單元網格劃分后的離散結構如圖3所示。

圖3 罩棚的離散結構

3.2 各種載荷下的加載分析

根據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，得到的應力分布如圖4所示，從圖4可以看出，正常自然環境下整個結構的應力大部分在20 MPa以下。

圖4自然情況下全局應力分布云圖

圖5 是在有暴風雨情況下的應力分布云圖，可以看出結構應力大都在35 MPa內，最大復合應力為52 MPa，發生在風吹方向的支撐處，整體應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力分布云圖，可以看出結構應力大部分超過200 MPa，結構大應力主要分布在安裝偏心的相反方向以及因形變產生扭轉等部分。局部結構最大復合應力發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力分布云圖

4 對加油站罩棚設計、施工及使用的建議

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

4.1 設計方面

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

（2）應充分考慮到暴風雨雪荷載對結構的敏感程度比自重要高，建議對加油站罩棚采用l00年重現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，對于暴風雨經過區域，不宜采用蒙古包結構，不宜采用大跨度且厚重的標識。

（4）嚴禁設計承受拉壓載荷以外類型的網架構建。

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

（6）鋼結構柱的柱腳應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的施工資質，并有該類結構的施工經驗；應編寫施工組織設計文件；施工過程應有監理；所有結構材料均應有質保書或檢測報告。

（2）嚴格按照設計文件和施工規范、規程要求施工：網架施工中應精確加工桿件長度．嚴禁對超長構件彎曲，以適應尺寸需要。

（3）安裝時桿端應交于節點中心，不得偏心。

（4）網架、桁架結構的桿件節間嚴禁附加支撐、吊掛重物。

（6）做好桿件的除銹，按設計做好防銹涂層．對螺栓球節點上不用的螺孔應封閉。

（7）罩棚支座應與柱頂連接牢固，柱腳應與基礎連接牢固。

（8）施工過程中和結構封頂時均應有質監站的參與，結構材料和施工質量應符合驗收標準。

4.3 使用方面

（1）對員工進行結構安全培訓，普及結構安全基本知識；特別注意鋼柱柱腳的銹蝕和桁架角鋼的銹蝕；發現異常情況，應盡快向上級部門匯報。

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

（3）對收購的加油站和無正規設計圖紙、無竣工驗收資料的加油站，應立即請有資質的單位進行安全評估，確定是否繼續利用。

（5）加油站使用中應有資質的結構安全評估機構定期進行結構安全檢查，及時發現安全隱患，如構件銹蝕、廣告牌松動、屋面積灰、排水管堵塞等問題。建議每2年進行一次結構安全檢查。

（6）應按照評價結論，對結構不合格的加油站應請有資質的單位進行加固或拆除；對結構合格的加油站，應做好桿件除銹、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工作，消除安全隱患。

5 總結及展望

通過對加油站罩棚的荷載分析及結構的簡化，利用結構有限元軟件ANSYS完成了結構的參數化建模。將各情況下的載荷施加于相應的結構分析模型，進行有限元分析，得出各種情況下的結構位移和應力分布，為加油站罩棚設計、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構分析，還可以在輕鋼結構及網架結構的對比分析、安裝偏心對不同跨度鋼罩棚的影響、動態模擬風載對結構變形的影響等方面展開研究。

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

[2]鄭輝.雪載荷下的加油站罩棚結構加固實踐.建筑安全[J]. 2010（07）：20-23.

[3]袁揚，陳忠范.雪荷載下加油站罩棚倒塌事故分析及若干建議[J].江蘇建筑，2009（01）：30-36.

[4]龍馭球.有限元法概論[M].北京：人民教育出版社，1979.

[5]陳樹勛.工程結構系統的分析、綜合與優化設計——理論、方法及工程應用案例[M].香港：中國科學文化出版社，2008.

[6]陳樹勛.精密復雜結構的幾種現代設計方法[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結構設計和管理工作。