开敞式水池轻钢顶棚设计分析

卢辰

摘 要 给水排水工程中的一些重要的水处理构筑物，如滤池、沉淀池等，均为敞口形式，由于功能和美观的要求，有时会需要加盖钢结构顶棚，本文的研究对象为开敞式轻钢结构顶棚。开敞式轻钢结构顶棚采用压型钢板作为顶盖，四周无围护结构，在设计时有一些需要特别注意的地方。本文主要从钢顶棚的结构布置、风荷载计算、檩条计算及柱脚（预埋件）设计等几个方面进行分析，以供工程设计人员参考。

关键词 开敞式水池;轻钢结构;风荷载;檩条

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

给水排水工程中的一些重要的水处理构筑物，如滤池、沉淀池等，均为敞口形式，由于功能和美观的要求，有时会需要加盖钢结构顶棚（如图1所示），本文的研究对象为开敞式轻钢结构顶棚。开敞式轻钢结构顶棚采用压型钢板作为顶盖，四周无围护结构，在设计时有一些需要特别注意的地方。本文主要从钢顶棚的结构布置、风荷载计算、檩条计算及柱脚（预埋件）设计等几个方面进行分析，以供工程设计人员参考。

1结构布置

钢结构顶棚的传力体系为压型钢板→檩条→主受力构件（钢次梁、钢主梁及钢柱组成框架）→柱脚及预埋件→池壁。柱网布置时，应与池体结构相结合，首先，尽量考虑钢柱直接搁置在直接落地的池壁，避免搁置在悬挑或下面悬空的池壁上，其次，钢柱的中心线应尽量与池壁的中心线对齐，防止偏心造成的附加弯矩对池壁顶端的影响。

钢梁可选择轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/25～1/45之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，一般取为 倍，可规避钢梁的整体稳定的复杂计算问题。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定进行估算。

钢柱截面按长细比预估。通常50<λ<150，简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管或H型钢截面等。采用钢管时，管壁的壁厚應满足局部稳定的要求，可按下式进行验算：

2风荷载计算

钢顶棚屋面自重很轻，压型钢板大概在0.05kN/m2左右，若包括保温棉和屋面檩条在内，整个金属屋面的重量也仅为0.15～0.25kN/m2，因此，风荷载是计算钢顶棚内力的主要控制因素。钢顶棚为开敞式结构，风荷载计算与普通结构相比有一些不同之处，尤其是在体型系数上，不同规范有不同取值，例如，门式轻钢规范提出考虑风振系数影响的体型系数。本文按照现行国家标准《建筑结构荷载规范》[1]计算。

对于主受力结构，包括钢梁钢柱组成的框架，风荷载计算方法为：

—风荷载标准值;

—高度z处的风振系数;

—风荷载高度变化系数;

—风荷载体型系数，对于双坡屋面，可按照表7.3.1项次27取值;单坡屋面以跨度1/2作为分区界线，其作用与双坡屋面的屋脊线相同，可按照双坡屋面方法取值;

—基本风压。

对于檩条风荷载，按照围护结构的风载计算方法为：

—风荷载体型系数，按照7.3.3项取值

—高度z处的阵风系数。

由于轻钢顶棚较为轻柔，自振周期一般均会超过0.25s，按照《建筑结构荷载规范》[1]的规定，不能忽略风振系数的影响。计算风荷载体型系数时，当屋面坡度小于10度时，以风为吸力，但是开敞式结构对风有过敏反应，即风由吸力变为压力。从工程实例来看，考虑完全变号，有些保守，可考虑-0.5Us。檩条主要考虑风吸力。

实例计算：某水池钢结构顶棚，经过计算，自振周期T=0.7s，基本风压=0.45kN/m2，地面粗糙度B类，高度3m，水池顶离地高度4m，因此顶棚离地总高度7m。

2.1 主结构风荷载

2.2 檩条风荷载

3檩条设计

檩条可选用Z形、C形薄壁型钢，常用于跨度3～6m。檩条的截面高度根据跨度，檩距和荷载大小等因素而定，一般取檩条跨度的1/35～1/50。檩条间距根据压型钢板要求，一般1.5m左右。为了给檩条提供侧向支撑，减少檩条在施工和使用阶段的侧向变形和扭转，檩条之间需设置拉条和撑杆。圆钢作拉条时，圆钢直径不宜小于10mm;撑杆长细比不得大于200。檩条计算可按《冷弯薄壁型钢规范》[3]计算。

屋面能阻止檩条侧向失稳时，仅进行强度计算：

屋面不能阻止檩条侧向失稳以及风荷载使檩条下翼缘受压时，按照稳定计算：

屋面板由自攻螺丝连接时，可以提供上翼缘的侧向稳定性。但是在施工期间，屋面板未安装时，檩条上翼缘受压，所以，拉条通常设置在檩条上翼缘1/3高的腹板范围内。不过，通过前面风荷载计算可以看出，对于钢顶棚檩条，风吸力远超过屋面自重，因此，下翼缘在风吸力作用下受压，在下翼缘1/3高的腹板范围内也宜设置拉条。文献[4]提出了图2的拉条连接方式，较好解决了拉条对檩条上下翼缘的约束问题。

4柱脚及预埋件

轻钢结构与传统的砼结构相比，最大差别就是在柱脚处存在较小的竖向力和较大的水平力，对于固接柱脚，还存在较大的弯矩，在风荷载起控制作用的情况下，由于轻钢结构自重很轻，有可能不足于抵抗风荷载产生的上拔力，柱底还存在较大的上拔力，因此，柱脚及预埋件的设计对于钢顶棚是非常重要的。

柱脚包括铰结柱脚和刚结柱脚两种，顶棚不像其他封闭的钢结构，可以在柱间增加斜撑来保持稳定性，因此，顶棚的柱脚应设计成刚结，才能保证顶棚为几何不变体系。由于预埋柱脚为刚接时，柱底内力同时存在轴向力N、水平剪力V和弯矩M，因此对池壁有一定影响，可按下式确定底板面积。由于一般池壁上端厚度小，当柱脚底板较大时，可以将池壁顶部局部加宽，做成牛腿形式。

假定底板下压应力成直线分布，

顶棚是直接架立在池壁上，因此，柱底内力可以通过两种方式传递给池壁。

一种是在池壁中预埋锚栓，柱脚底板与锚栓相连。因为规范规定锚栓不能抗剪，所以柱底应设置抗剪键。锚栓计算如下：

当  时，底板与池壁开始脱离，从而产生拉应力，而该拉应力合力应由錨栓来承担，如图3所示。

一种是在施工时，池壁内设置预埋钢板及锚筋（图4），柱脚底板与预埋钢板焊牢，柱底内力通过预埋件的锚筋传递给池壁。锚筋面积可以按照《混凝土结构设计规范 （2015年版）》[5]9.7.2公式计算，同时，预埋钢板及锚筋的构造要求也应满足《混凝土结构设计规范 （2015年版）》[5]9.7节中的相关规定。

5结束语

①钢结构顶棚建设在水池之上，因此，顶棚结构应与池体结构相适应，并且尽量减少对池体结构的影响;②钢结构顶棚重量轻，而且为开敞式结构，对风荷载影响的敏感程度大于一般的封闭式轻钢结构，因此对风荷载计算应慎重考虑。一些钢结构的设计软件，如STS，无法在三维建模时直接考虑风吸力的影响，必须人工输入，才能保证计算结果的正确性;③由于压型钢板重量轻，檩条下翼缘在风吸力作用下的也会受压，所以，拉条设置应能保证檩条上下翼缘均可受到约束;④柱脚（预埋件）作为顶棚与池壁连接部位，是最容易破坏的部位，因此应重视柱脚（预埋件）的设计，同时还应该验算柱底力对池壁结构的影响。

参考文献

[1] 建筑结构荷载规范：GB50009-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2] 钢结构设计标准：GB50017-2017[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.

[3] 冷弯薄壁型钢结构技术规范：GB50018-2002[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[4] 鲁莉，梁发云.轻钢结构设计中几个常见错误分析[J].建筑结构，2004（7）：22-24.

[5] 混凝土结构设计规范（2015年版）：GB50010-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2015.