单坡自行车棚结构设计分析

周小歆

（中海油石化工程有限公司,山东 济南250010）

在工业建筑中，自行车棚作为公共建筑物设计时一般选用标准图集做法；当厂区的设计条件不能直接选用图集做法时，应当单独做结构设计。因自行车棚属于比较特殊的一类结构，没有特定的计算分析软件，也没有明确的规范条文，导致设计人员无从下手，设计效率很低。本文针对这类结构设计时所需的简化计算模型、施加的荷载和约束条件，进行详细分析。

1 自行车棚结构设计的规定

工业建筑中的自行车棚结构设计应遵循简洁、轻巧、美观原则，一般以轻钢结构为主，中小型自行车棚主要构件一般选用圆钢管或方钢管，车棚顶面采用压型钢板轻型面板。自行车棚主要受力为恒载、活载（顶棚竖向活载、风荷载、北方地区有雪荷载），抗震设防类别为丁类，一般可不考虑地震作用，其中对结构承载力影响最大的为风荷载。

1.1 刚架主体结构

恒载按照构件材料自重计算。顶棚按水平投影面积计算的竖向活载标准值取0.5 kN/m2。

垂直于构件表面的单位面积风荷载标准值计算

式中：ωk为风荷载标准值；μz为高度变化系数，按照车棚高度和地面粗糙度取值[1]；μs为体型系数；ω0为基本风压，采用50 a重现期的风压；β为风振系数，主要构件取1.1。

如果项目位于我国北方地区，还需考虑雪荷载，雪荷载的标准值

式中：SK为雪荷载标准值；μr为积雪分布系数；S0为基本雪压，按100 a重现期的数值采用。

刚架主体结构的计算模型可参考门式刚架结构，简化为平面内的刚架进行受力分析。

1.2 附属结构

自行车棚属于轻钢结构，其围护结构一般为轻钢屋面檩条，檩条的风荷载计算采用式（1），只是系数取值不同，计算檩条时β取1.5。

因自行车棚主体刚架纵向间距一般在3～5 m，可设计成单跨或连续檩条，因连续檩条的搭接节点做法较复杂且搭接处有空隙，结合不紧密，工程中很少采用，设计中一般以单跨檩条进行计算。屋面板可阻止檩条侧向移动和扭转变形，可仅计算檩条的强度[2]。

式中：Mx’为平面内弯矩设计值；Wenx’为净截面模量（对冷弯薄壁型钢）或净截面模量（对热轧型钢）；f为钢材抗拉强度设计值。

2 工程实例

某石化厂区内自行车棚，刚架纵向距离4 m。当地基本风压ω0=0.75 kN/m2，地面粗糙度A类。因图集12J003《室外工程》只能适用于ω0≤0.45 kN/m2的地区；图集11ZJ901《室外装修及配件》所有构件只是示意，均需要结构专业复核，因此本工程需单独做结构分析设计。

2.1 结构形式选择

参考图集12J003和11ZJ901，确定了两种形式。见图1。

图1 自行车棚形式

2.2 计算分析

2.2.1 主体结构

1）模型简化。因车棚属于构筑物，没有专属的设计软件，现利用PK二维计算程序进行简化计算。见图2。

图2 简化模型

2）施加荷载。竖杆1-1、2-1外无围护构件，体型系数μs=0；杆件2-2、2-3外无围护构件，体型系数μs=0。杆件1-3、2-4有外围护构件，需考虑风压力和风吸力作用，右风时风吸力取-1.3、左风时风压力取0.5。

3）计算结果。形式1的杆件1-1、1-2、1-3选取Q235圆钢管φ114 mm×6 mm，计算分析结果见图3。

图3 形式1钢结构应力比

由图3可以看出，结构应力比为0.82，已接近极限。

形式2的杆件2-2、2-3、2-4选取Q235圆钢管φ114 mm×6 mm，杆件2-1选取Q235圆钢管φ140 mm×8 mm。简化模型计算分析结果数据差别不大，可根据柱脚节点做法选择柱底铰接或刚接。见图4。

图4 形式2钢结构应力比

形式1和形式2的竖杆尺寸有较大差距，形式2的杆件2-1在柱脚与杆件2-2共同作用，形成三角稳固节点，刚度较大，杆件2-1在柱顶与杆件2-3同理形成刚度较大节点域，从而杆件2-1的应力由中间部分控制，实际结构中，中间部分由2根圆钢管对焊,见图5。

图5 杆件2-1剖面

根据面积相等原则，每根钢管面积为模型中计算面积的一半，即A1=2A2。根据式（4），等惯性矩换算可确定每根钢管惯性矩[3]，最后根据钢管面积和惯性矩选择相应钢管型号。计算所需钢管φ140 mm×8 mm的A1=33.18 cm2,I1=725.21cm4，各型号钢管的面积和惯性矩见表1。

式中：D1为模型计算的钢管直径；D2为设计采用的钢管直径；A1为模型中单根钢管截面积；A2为设计所需单根钢管截面积；I1为模型计算的惯性矩；I2为惯性矩设计值。

表1 各型号钢管的面积和惯性矩

从经济性角度出发，最后确定设计采用钢管φ95 mm×6 mm。

2.2.2 附属结构

由于车棚造型美观、节点构造简单的原则，附属的屋面檩条一般选用与主刚架同类型的材料[4]。鉴于本工程主刚架选用的是圆钢管，屋面檩条依旧按照圆钢管设计。

因目前软件的工具箱中，圆钢管不在可选取的钢材库里，参考主刚架的计算原理，选取薄壁矩形钢管的计算结果作为参考，按照等面积等截面模量的原则进行换算，从而间接算复核要求的圆钢管型号。见图6。

图6 简支檩条计算参数

计算结果：薄壁矩形钢管90 mm×40 mm×2.5 m，截面积A为6.1 cm2,截面模量Wx1为13.5 cm3，Wy1为8.5 cm3。根据截面积和等截面模量，查无缝钢管规格表，对应钢管规格为φ70 mm×5 mm。

2.3 结果

因两种轻钢的自行车棚形式受风压影响较大，为方便后续工程设计中直接选取，就不同风压下的两种自行车棚进行计算并列出设计选用构件，作为标准图集的补充。见表2。

表2 自行车棚在不同风压下的构件列

3 结论

1）两种形式的自行车棚简化模型中，柱底约束方式对应力计算结构影响不大，可根据具体节点做法选择柱底刚接或铰接。

2）自行车棚的风荷载体型系数要按照荷载规范取值，需考虑风压力和风吸力两种作用。

3）形式2的自行车棚需通过计算模型和等面积、等惯性矩确定主体构件型号。

4）形式2自行车棚主体构件强度由面积控制，惯性矩远大于计算值，根据面积相等原则选取钢管后，可不再验算惯性矩。

5）附属构件屋面一般选用简支檩条，檩条的材料类型一般同主体刚架结构。

6）此次设计是针对不能选取标准图时的补充计算，可作为相似工程参考依据。