移動式風雨棚鋼結構的荷載選取和有限元計算案例

白躍品

（上海城建市政工程（集團）有限公司研發中心，上海200241）

0 引言

移動式風雨棚是應用于船廠、工礦、軍工等為克服惡劣天氣而在場地不同位置設置的可移動棚式特種機械設備。類似造船這種分段較大較多的工程，天氣因素對拼裝品質和作業人員的工作環境影響很大，所以需要焊接和吊裝盡量在室內完成，移動式風雨棚應運而生[1]。移動式風雨棚由于應用場景限制，結構比較大，目前相應的載荷選取，采用有限元仿真計算研究也比較少。國內風雨棚方面研究現狀主要集中在固定式站臺或者廠房，大型的主要集中在球場站臺或者火車站，設計方法傳統保守、費工費時。移動式風雨棚的核心技術不僅在于整體結構強度和剛度滿足使用要求，而且要求在強風強雨的工況下，整個風雨棚的鋼結構不會被破壞。在整個鋼結構設計過程中，荷載的選取對設備運行和制造成本影響很大，必須謹慎對待。

在荷載確定以后，設計人員可以借助計算機有限元軟件來輔助設計。有限元分析軟件具有整體性、可視性強，方便查詢，能對傳統設計形成有效的驗證和補充。本課題選擇大型通用有限元計算軟件ANSYS來輔助分析。ANSYS軟件作為目前最流行的有限元軟件之一，是工程師們開發設計的首選，并廣泛應用于核工業、土木工程、機械制造等一般工業及科學研究領域[2]。這里選取一臺大型的60 m×45 m移動式風雨棚作為計算實例，運用ANSYS軟件對其鋼結構進行有限元仿真研究。

1 荷載計算

這臺60 m×45 m移動式風雨棚主要北方沿海一個大型船廠，整體結構形式如圖1所示，主要外形參數：跨距為60 m，長度45 m，棚頂到棚底25 m，屋頂坡度為6°。整個移動式風雨棚由鋼結構、吊物裝置、大車運行機構和其他輔助部件構成。移動式風雨棚的主體是鋼結構，鋼結構是用不同型號的方管拼接而成的空間桁架結構，方管之間的采用焊接連接，立柱用大截面方管，間距是2.5 m，頂棚主要是小截面方管焊接成的空間桁架結構，整個鋼結構表面覆蓋物主要是彩鋼板，在頂部和側面設置有走臺和欄桿等，在風雨棚內部上部還安裝有電動葫蘆，本臺設備頂部共有四套可以獨立運作的電動葫蘆。在鋼結構底部安裝有大車運行機構，在大車運行機構上面加裝防風錨定，在鋼結構外面安裝防風系纜。

移動式風雨棚所承受的荷載選取可參考GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》，分為恒荷載和活荷載兩大類。其中，恒荷載指風雨棚自重引起的荷載，而活荷載較為復雜，包括棚內起重機吊車荷載、風荷載、積灰荷載，北方還要考慮積雪荷載。風荷載和積雪荷載可依據規范或當地氣象資料，積灰荷載應根據風雨棚所處的環境，由用戶提供相關資料[3]。本文選取對移動式風雨棚影響較大的風荷載和雪荷載來重點介紹

1.1 設計原則

本文鋼結構主要考慮以下設計原則：

（1）鋼結構設計采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，按分項系數的設計表達式進行計算；對于一般框（排）架結構，可采用簡化分項系數設計表達式，具體表達式和各分項系數取值，可以查詢GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》，這里不再詳細敘述；

（2）各種承重結構均按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的原則進行設計，一般應按使用條件采用荷載效應的基本組合，在使用中有可能發生事故等偶然性荷載作用時，尚應考慮荷載效應的偶然組合；

（3）設計鋼結構時，尚應根據結構破壞可能產生的后果采用不同安全等級，并在荷載效應計算中采用不同的系數。

1.2 雪荷載

移動式風雨棚屋面水平投影面上的雪荷載標準值，應按下式計算[3]：

式中：Sk為雪荷載標準值，kN/m2；μr為屋面積雪分布系數；S0為基本雪壓，kN/m2。

基本雪壓按《建筑結構荷載規范》全國基本雪壓分布圖的規定采用，按50年一遇的雪荷載標準選用，考慮到本臺設備在東北使用，基本雪壓要適當提高，具體可以查閱當地的的氣候資料，或者遵從相關的結構設計規范。

本鋼結構為單跨雙坡屋面形式，其屋面積雪分布系數見《建筑結構荷載規范》的相關規定。

1.3 風荷載

垂直于建筑物表面上的風荷載標準值，應按下式計算[3]：

式中：wk為風荷載標準值，kN/m2；βz為高度處的分項系數；μs為風荷載體型系數；μz為風壓高度變化系數；w0為基本風壓，kN/m2。

基本風壓按《建筑結構荷載規范》全國基本風壓分布圖的規定采用。按50年一遇的風荷載標準選用，考慮到本臺設備主要用于造船廠，海風比較大，基本風壓要適當提高，具體可以查閱當地的的年最大風速資料。

本鋼結構為單跨中封閉式雙坡屋面構筑物，其風荷載體型系數見《建筑結構荷載規范》的相關規定。

1.4 荷載統計

通過以上討論，結合60 m×45 m移動式風雨棚實際情況，將荷載統計如下表1所示。

表1 載荷統計

1.5 計算工況

計算工況選擇依據的是移動式風雨棚實際使用過程的荷載組合狀態，分為工作狀態和非工作狀態兩種。工作狀態的荷載組合應考慮自重荷載、吊車荷載、風荷載、積灰荷載、雪荷載。主要分4種計算工況：

工況1：只考慮自重荷載；

工況2：考慮自重荷載，吊車荷載（在同一弦架）;

工況3：考慮自重荷載、吊車荷載（在同一弦架）、積灰荷載;

工況4：應用組合系數，考慮自重荷載、吊車荷載（在同一弦架）、風荷載、灰載、雪荷載。

非工作狀態的荷載組合應考慮自重荷載、風荷載、積灰荷載、雪荷載。主要分2種計算工況：

工況5：考慮自重荷載、大雪荷載、積灰荷載；

工況6：考慮自重荷載、強風荷載。

2 有限元計算

2.1 建立有限元模型

60 m×45 m移動式風雨棚的鋼結構是由多段門式結構組成的空間桁架結構。每段門式結構是由兩根工字型立柱和圓管桁架梁組成，各段之間由圓管桁架結構聯結。移動式風雨棚鋼結構的支腿，一般由型鋼焊接組成。風雨棚鋼結構設計要求盡量減重，頂部質量越小，對整體性能提高很大，所以，頂部設計盡量直接采用鋼管或者型鋼等焊接成的桁架結構。

移動式風雨棚鋼結構在各種荷載作用下，立柱與空間連結的桁架主要承受彎矩，有限元模型采用梁單元來模擬較好。立柱、型鋼、圓管等在ANSYS中建模時位置以一條線段代替，后面可以賦予線段梁單元的材料屬性[4]。定義材料（Q235鋼）的密度為7.85×10-9t/m3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3。模型簡化去掉了很多附屬結構，附屬結構的重量在鋼結構計算時也要考慮進去，在有限元計算時，可以按比例增大重力加速度數值，以此來保證整機重量不變。

經過在ANSYS中建模、分配單元屬性、再劃分網格后，最終得到風雨棚有限元模型如圖3、4所示。其中單元數：10 944，節點數：22 077。

2.2 有限元分析

60 m×45 m移動式風雨棚鋼結構材料為Q235，按照 GB 50009—2012《鋼結構設計規范》，其許用應力為215 MPa。許用屋面板撓度：[f]=L/400=150 mm，許用墻面板撓度：[f]=L/400=54 mm。

對上述有限元模型施加邊界約束條件，選擇上面所述的六種計算工況，分別對門式起重機進行有限元計算。ANSYS軟件能直觀顯示出整體的強度和剛度變化情況，這里選取工作狀態的工況4和非工作狀態的工況6來舉例說明，結果如圖2，3所示。六種工況有限元計算結果匯總如表2所示。

（續下圖）

（接上圖）

圖2 工況4整體應力和位移分布云圖

圖3 工況6整體應力和位移分布云圖

表2 有限元應力分析結果匯總表

通過有限元計算結果的分析比較，6種工況的強度應力數值都在許用應力范圍內，只有工況6，在強風作用下，屋頂、側向位移數值超過許用數值，需要加裝防風系纜裝置。

3 結語

本文通過對60 m×45 m移動式風雨棚鋼結構的荷載選取和有限元計算的詳細闡述，可以得到如下結論：風雨棚設計時，荷載的選取非常重要，對整機的性能和經濟成本影響很大。當荷載和方案出來后，借助有限元軟件ANSYS軟件可以很好地輔助分析，本課題的有限元分析結果均很好地滿足設計需要的強度和剛度要求。本臺設備，目前已經投入使用幾年，在實際使用過程中運行狀態良好，很好地滿足了工廠的使用要求。