開敞式水池輕鋼頂棚設計分析

盧辰

摘 要 給水排水工程中的一些重要的水處理構筑物，如濾池、沉淀池等，均為敞口形式，由于功能和美觀的要求，有時會需要加蓋鋼結構頂棚，本文的研究對象為開敞式輕鋼結構頂棚。開敞式輕鋼結構頂棚采用壓型鋼板作為頂蓋，四周無圍護結構，在設計時有一些需要特別注意的地方。本文主要從鋼頂棚的結構布置、風荷載計算、檁條計算及柱腳（預埋件）設計等幾個方面進行分析，以供工程設計人員參考。

關鍵詞 開敞式水池;輕鋼結構;風荷載;檁條

Abstract The opening steel ceiling of the pool has some worthy of remark places on the design. This article mainly proceed the analysis on the structure layout， the calculation of? wind load and purlin， and design of pillar heel（build-in fitting）.It provides the reference to the engineers.

Key words Open pool; Light steel structure; Wind load; Purlin

引言

給水排水工程中的一些重要的水處理構筑物，如濾池、沉淀池等，均為敞口形式，由于功能和美觀的要求，有時會需要加蓋鋼結構頂棚（如圖1所示），本文的研究對象為開敞式輕鋼結構頂棚。開敞式輕鋼結構頂棚采用壓型鋼板作為頂蓋，四周無圍護結構，在設計時有一些需要特別注意的地方。本文主要從鋼頂棚的結構布置、風荷載計算、檁條計算及柱腳（預埋件）設計等幾個方面進行分析，以供工程設計人員參考。

1結構布置

鋼結構頂棚的傳力體系為壓型鋼板→檁條→主受力構件（鋼次梁、鋼主梁及鋼柱組成框架）→柱腳及預埋件→池壁。柱網布置時，應與池體結構相結合，首先，盡量考慮鋼柱直接擱置在直接落地的池壁，避免擱置在懸挑或下面懸空的池壁上，其次，鋼柱的中心線應盡量與池壁的中心線對齊，防止偏心造成的附加彎矩對池壁頂端的影響。

鋼梁可選擇軋制或焊接H型鋼截面等。根據荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的1/25～1/45之間選擇。翼緣寬度根據梁間側向支撐的間距按l/b限值確定時，一般取為 倍，可規避鋼梁的整體穩定的復雜計算問題。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規范中局部穩定的構造規定進行估算。

鋼柱截面按長細比預估。通常50<λ<150，簡單選擇值在100附近。根據軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或H型鋼截面等。采用鋼管時，管壁的壁厚應滿足局部穩定的要求，可按下式進行驗算：

2風荷載計算

鋼頂棚屋面自重很輕，壓型鋼板大概在0.05kN/m2左右，若包括保溫棉和屋面檁條在內，整個金屬屋面的重量也僅為0.15～0.25kN/m2，因此，風荷載是計算鋼頂棚內力的主要控制因素。鋼頂棚為開敞式結構，風荷載計算與普通結構相比有一些不同之處，尤其是在體型系數上，不同規范有不同取值，例如，門式輕鋼規范提出考慮風振系數影響的體型系數。本文按照現行國家標準《建筑結構荷載規范》[1]計算。

對于主受力結構，包括鋼梁鋼柱組成的框架，風荷載計算方法為：

—風荷載標準值;

—高度z處的風振系數;

—風荷載高度變化系數;

—風荷載體型系數，對于雙坡屋面，可按照表7.3.1項次27取值;單坡屋面以跨度1/2作為分區界線，其作用與雙坡屋面的屋脊線相同，可按照雙坡屋面方法取值;

—基本風壓。

對于檁條風荷載，按照圍護結構的風載計算方法為：

—風荷載體型系數，按照7.3.3項取值

—高度z處的陣風系數。

由于輕鋼頂棚較為輕柔，自振周期一般均會超過0.25s，按照《建筑結構荷載規范》[1]的規定，不能忽略風振系數的影響。計算風荷載體型系數時，當屋面坡度小于10度時，以風為吸力，但是開敞式結構對風有過敏反應，即風由吸力變為壓力。從工程實例來看，考慮完全變號，有些保守，可考慮-0.5Us。檁條主要考慮風吸力。

實例計算：某水池鋼結構頂棚，經過計算，自振周期T=0.7s，基本風壓=0.45kN/m2，地面粗糙度B類，高度3m，水池頂離地高度4m，因此頂棚離地總高度7m。

2.1 主結構風荷載

2.2 檁條風荷載

3檁條設計

檁條可選用Z形、C形薄壁型鋼，常用于跨度3～6m。檁條的截面高度根據跨度，檁距和荷載大小等因素而定，一般取檁條跨度的1/35～1/50。檁條間距根據壓型鋼板要求，一般1.5m左右。為了給檁條提供側向支撐，減少檁條在施工和使用階段的側向變形和扭轉，檁條之間需設置拉條和撐桿。圓鋼作拉條時，圓鋼直徑不宜小于10mm;撐桿長細比不得大于200。檁條計算可按《冷彎薄壁型鋼規范》[3]計算。

屋面能阻止檁條側向失穩時，僅進行強度計算：

屋面不能阻止檁條側向失穩以及風荷載使檁條下翼緣受壓時，按照穩定計算：

屋面板由自攻螺絲連接時，可以提供上翼緣的側向穩定性。但是在施工期間，屋面板未安裝時，檁條上翼緣受壓，所以，拉條通常設置在檁條上翼緣1/3高的腹板范圍內。不過，通過前面風荷載計算可以看出，對于鋼頂棚檁條，風吸力遠超過屋面自重，因此，下翼緣在風吸力作用下受壓，在下翼緣1/3高的腹板范圍內也宜設置拉條。文獻[4]提出了圖2的拉條連接方式，較好解決了拉條對檁條上下翼緣的約束問題。

4柱腳及預埋件

輕鋼結構與傳統的砼結構相比，最大差別就是在柱腳處存在較小的豎向力和較大的水平力，對于固接柱腳，還存在較大的彎矩，在風荷載起控制作用的情況下，由于輕鋼結構自重很輕，有可能不足于抵抗風荷載產生的上拔力，柱底還存在較大的上拔力，因此，柱腳及預埋件的設計對于鋼頂棚是非常重要的。

柱腳包括鉸結柱腳和剛結柱腳兩種，頂棚不像其他封閉的鋼結構，可以在柱間增加斜撐來保持穩定性，因此，頂棚的柱腳應設計成剛結，才能保證頂棚為幾何不變體系。由于預埋柱腳為剛接時，柱底內力同時存在軸向力N、水平剪力V和彎矩M，因此對池壁有一定影響，可按下式確定底板面積。由于一般池壁上端厚度小，當柱腳底板較大時，可以將池壁頂部局部加寬，做成牛腿形式。

假定底板下壓應力成直線分布，

頂棚是直接架立在池壁上，因此，柱底內力可以通過兩種方式傳遞給池壁。

一種是在池壁中預埋錨栓，柱腳底板與錨栓相連。因為規范規定錨栓不能抗剪，所以柱底應設置抗剪鍵。錨栓計算如下：

當? 時，底板與池壁開始脫離，從而產生拉應力，而該拉應力合力應由錨栓來承擔，如圖3所示。

一種是在施工時，池壁內設置預埋鋼板及錨筋（圖4），柱腳底板與預埋鋼板焊牢，柱底內力通過預埋件的錨筋傳遞給池壁。錨筋面積可以按照《混凝土結構設計規范 （2015年版）》[5]9.7.2公式計算，同時，預埋鋼板及錨筋的構造要求也應滿足《混凝土結構設計規范 （2015年版）》[5]9.7節中的相關規定。

5結束語

①鋼結構頂棚建設在水池之上，因此，頂棚結構應與池體結構相適應，并且盡量減少對池體結構的影響;②鋼結構頂棚重量輕，而且為開敞式結構，對風荷載影響的敏感程度大于一般的封閉式輕鋼結構，因此對風荷載計算應慎重考慮。一些鋼結構的設計軟件，如STS，無法在三維建模時直接考慮風吸力的影響，必須人工輸入，才能保證計算結果的正確性;③由于壓型鋼板重量輕，檁條下翼緣在風吸力作用下的也會受壓，所以，拉條設置應能保證檁條上下翼緣均可受到約束;④柱腳（預埋件）作為頂棚與池壁連接部位，是最容易破壞的部位，因此應重視柱腳（預埋件）的設計，同時還應該驗算柱底力對池壁結構的影響。

參考文獻

[1] 建筑結構荷載規范：GB50009-2012[S].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[2] 鋼結構設計標準：GB50017-2017[S].北京：中國建筑工業出版社，2017.

[3] 冷彎薄壁型鋼結構技術規范：GB50018-2002[S].北京：中國建筑工業出版社，2003.

[4] 魯莉，梁發云.輕鋼結構設計中幾個常見錯誤分析[J].建筑結構，2004（7）：22-24.

[5] 混凝土結構設計規范（2015年版）：GB50010-2010[S].北京：中國建筑工業出版社，2015.