油泥池罩棚結構設計分析

閆磊

摘 要：油泥池罩棚是一種拱形鋼結構，跨度較大，可達30m。這種結構可對兩側的支撐柱產生較大的水平推力。該文采用pkpm軟件和Sap2000軟件，對這種結構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構的受力格局，并論證40m跨度罩棚結構的可行性。

關鍵詞：鋼結構 油泥池罩棚 拱結構 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，導致污染事故。根據工程業(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 結構形式

罩棚上部主體結構為由電焊直縫鋼管、圓鋼組成的拱形桁架結構，每個單節(jié)罩棚長7m、寬32.1m，設置三道拱形桁架。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式四管柱，支撐柱在平面外設置側向支撐，相互連接，以保證其整體穩(wěn)定。鋼結構表面除銹后涂刷防銹漆。

罩棚基礎采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土條形基礎，每座罩棚兩條基礎，設置軌道和鋼輪，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。桁架兩側的立柱提供了桁架兩側的水平向約束。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構，而僅僅是一個弧形的梁結構，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構，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能力越大，桁架的水平變形就會變得困難，變形相應減少，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有了更高的要求，即使軌道、軌道扣件和基礎滿足要求，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構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力大小，就要用到能模擬這一結構細節(jié)的計算軟件。該文采用的是Sap2000結構計算軟件，將罩棚的三維模型全部予以模擬，這樣算得的連接板應力無論是在32.1m還是在40m跨度下都是在設計值范圍內的（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件的受力狀況，當跨度增加到40m時，罩棚結構中有些連接構件的要求就要高于32.1m時的情況，例如，同一側立柱之間的連接桿。準確計算得的這些數據對于更清晰地分析結構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造，嚴格意義上說，該文采用的這種罩棚結構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構單元均為四棱錐，而結構圖中僅僅在單一一榀的二維圖中，每個細微的結構單元為三角形，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能滿足承載力要求，能承受住結構所受的荷載。

3 結語

過大的跨度會導致拱形桁架兩側支撐柱的柱底水平反力過大，柱底的軌道和基礎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件有較高要求，所以罩棚跨度不宜過大。

參考文獻

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