油泥池罩棚结构设计分析

闫磊

摘 要：油泥池罩棚是一种拱形钢结构，跨度较大，可达30m。这种结构可对两侧的支撑柱产生较大的水平推力。该文采用pkpm软件和Sap2000软件，对这种结构进行二维和三维模型的分析，详细论述支撑柱水平力的计算以及结构的受力格局，并论证40m跨度罩棚结构的可行性。

关键词：钢结构 油泥池罩棚 拱结构 pkpm Sap2000

中图分类号：TE992 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）01（b）-00-02

敞口油泥池，每逢雨、雪天气，尤其是汛期时，油泥池容易发生油泥外溢，导致污染事故。根据工程业主的要求，在油泥池上安装简易罩棚，以达到遮挡雨、雪，避免油泥外溢的目的。

1 结构形式

罩棚上部主体结构为由电焊直缝钢管、圆钢组成的拱形桁架结构，每个单节罩棚长7m、宽32.1m，设置三道拱形桁架。拱形桁架由顶部一根上弦管、底部两根下弦管及三面腹杆构成，桁架断面呈三角形。拱形桁架跨中起拱高度2.0m。

罩棚面板为0.5mm蓝色压型钢板，支撑檩条为薄壁矩形钢管，面板与檩条间采用自攻螺钉连接。罩棚支撑柱采用格构式四管柱，支撑柱在平面外设置侧向支撑，相互连接，以保证其整体稳定。钢结构表面除锈后涂刷防锈漆。

罩棚基础采用现浇钢筋混凝土条形基础，每座罩棚两条基础，设置轨道和钢轮，钢轮安装在支撑柱柱底，可沿轨道移动使罩棚打开或闭合。

油泥池罩棚现场图如图1所示。

2 计算过程

对于拱形桁架，可抽取单一一榀进行计算，上弦杆采用89×4的电焊钢管，下弦杆采用76×4的电焊钢管，弦杆采用Ф25的钢筋。桁架两侧的立柱提供了桁架两侧的水平向约束。若桁架的计算模型两端的约束采用简支形式，即一端为竖向水平都约束，而另一端采用竖向约束水平自由，这时桁架就不再是一个拱结构，而仅仅是一个弧形的梁结构，没有任何的水平向支撑，作用在桁架上的力以及桁架自重完全由桁架自身的变形来承受。若桁架的计算模型两端都采用竖向以及水平都约束的形式，这时桁架则完全是一个拱形结构，支座提供了足够的水平支撑。这种情况下支座处的水平反力是极大的，在荷载的标准组合下能达到27kN。而桁架两边的柱提供了一定的水平支撑，但是柱顶也有一定的位移，这样的情形介于上述两种极端边界条件之间。桁架自身的变形吸收了一部分荷载，柱提供的水平支撑力抵抗另一部分荷载。

所以支撑柱的柱底会有一定大小的水平力，当支撑柱的高度是2m时，计算得的柱底水平力为荷载的标准组合下8kN。对于不同柱的高度，柱底的水平力大小是不同的，例如当柱的高度为1m高时，柱底的水平反力能达到荷载的标准组合下14kN。这是因为，支撑柱的高度越小，支撑柱对桁架末端提供的抗扭转能力越大，桁架的水平变形就会变得困难，变形相应减少，吸收的荷载也就减少，而这部分减少的吸收能力则由柱底的水平支撑提供。

这大大小于计算模型采用竖向水平都约束时的27kN，但也不小。柱底轨道要提供不小的水平支撑力，这对轨道、轨道扣件以及轨道下的基础就有比较高的要求。当拱形桁架的跨度增加到40m，支撑柱的高度是2m时，计算得的柱底水平力为荷载的标准组合下13kN；支撑柱的高度是1m时，计算得的柱底水平力为荷载的标准组合下23kN。竖向水平都约束时的极端边界条件下，柱底的水平反力更是达到了35kN。这时对柱底的轨道、轨道扣件以及轨道下的基础有了更高的要求，即使轨道、轨道扣件和基础满足要求，柱底滑动轮与轨道间的摩擦力也会非常大，要推动罩棚移动变得非常困难。

拱形桁架与支撑立柱相接处在结構图中是以一块板来填充这一区域，但pkpm中是无法将这块板模拟进去的，依然用桁架弦杆和腹杆来建模，这样计算得的弦杆和腹杆应力比很大，超过限值2～3倍。这时要准确计算这块连接板的应力大小，就要用到能模拟这一结构细节的计算软件。该文采用的是Sap2000结构计算软件，将罩棚的三维模型全部予以模拟，这样算得的连接板应力无论是在32.1m还是在40m跨度下都是在设计值范围内的（如图2所示）。三维计算模型还能计算得到更准确的拱变形挠度值，三维模型下的拱变形值要略小于pkpm中单一一榀的计算值，这是因为三维模型下，三角形拱截面的底面一榀对桁架的变形是有一定约束作用的，这个作用在pkpm的二维模型中是体现不出来的。Sap2000模型中还能给出其他所有构件的受力状况，当跨度增加到40m时，罩棚结构中有些连接构件的要求就要高于32.1m时的情况，例如，同一侧立柱之间的连接杆。准确计算得的这些数据对于更清晰地分析结构受力是有很大帮助的。

还有一处需要探讨的是三角形的拱形桁架的构造，严格意义上说，该文采用的这种罩棚结构图拱形桁架并不能称为一个三维桁架，因为一个三维桁架要求桁架弦杆和腹杆组成的每个细微结构单元均为四棱锥，而结构图中仅仅在单一一榀的二维图中，每个细微的结构单元为三角形，在三维情形下，有些单元为五棱锥。这只是二维情况下的桁架，而不是三维桁架。但是这种二维情况下的桁架就已经能满足承载力要求，能承受住结构所受的荷载。

3 结语

过大的跨度会导致拱形桁架两侧支撑柱的柱底水平反力过大，柱底的轨道和基础很难满足承载力要求，同时影响罩棚的移动。并且过大的跨度会对连接构件有较高要求，所以罩棚跨度不宜过大。

参考文献

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