開敞式水池輕鋼頂棚設(shè)計(jì)分析

盧辰

摘 要 給水排水工程中的一些重要的水處理構(gòu)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(shí)會(huì)需要加蓋鋼結(jié)構(gòu)頂棚，本文的研究對(duì)象為開敞式輕鋼結(jié)構(gòu)頂棚。開敞式輕鋼結(jié)構(gòu)頂棚采用壓型鋼板作為頂蓋，四周無圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)有一些需要特別注意的地方。本文主要從鋼頂棚的結(jié)構(gòu)布置、風(fēng)荷載計(jì)算、檁條計(jì)算及柱腳（預(yù)埋件）設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面進(jìn)行分析，以供工程設(shè)計(jì)人員參考。

關(guān)鍵詞 開敞式水池;輕鋼結(jié)構(gòu);風(fēng)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(gòu)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(shí)會(huì)需要加蓋鋼結(jié)構(gòu)頂棚（如圖1所示），本文的研究對(duì)象為開敞式輕鋼結(jié)構(gòu)頂棚。開敞式輕鋼結(jié)構(gòu)頂棚采用壓型鋼板作為頂蓋，四周無圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)有一些需要特別注意的地方。本文主要從鋼頂棚的結(jié)構(gòu)布置、風(fēng)荷載計(jì)算、檁條計(jì)算及柱腳（預(yù)埋件）設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面進(jìn)行分析，以供工程設(shè)計(jì)人員參考。

1結(jié)構(gòu)布置

鋼結(jié)構(gòu)頂棚的傳力體系為壓型鋼板→檁條→主受力構(gòu)件（鋼次梁、鋼主梁及鋼柱組成框架）→柱腳及預(yù)埋件→池壁。柱網(wǎng)布置時(shí)，應(yīng)與池體結(jié)構(gòu)相結(jié)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(yīng)盡量與池壁的中心線對(duì)齊，防止偏心造成的附加彎矩對(duì)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(jù)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(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按l/b限值確定時(shí)，一般取為 倍，可規(guī)避鋼梁的整體穩(wěn)定的復(fù)雜計(jì)算問題。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定進(jìn)行估算。

鋼柱截面按長(zhǎng)細(xì)比預(yù)估。通常50<λ<150，簡(jiǎn)單選擇值在100附近。根據(jù)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(shí)，管壁的壁厚應(yīng)滿足局部穩(wěn)定的要求，可按下式進(jìn)行驗(yàn)算：

2風(fēng)荷載計(jì)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(nèi)，整個(gè)金屬屋面的重量也僅為0.15～0.25kN/m2，因此，風(fēng)荷載是計(jì)算鋼頂棚內(nèi)力的主要控制因素。鋼頂棚為開敞式結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載計(jì)算與普通結(jié)構(gòu)相比有一些不同之處，尤其是在體型系數(shù)上，不同規(guī)范有不同取值，例如，門式輕鋼規(guī)范提出考慮風(fēng)振系數(shù)影響的體型系數(shù)。本文按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]計(jì)算。

對(duì)于主受力結(jié)構(gòu)，包括鋼梁鋼柱組成的框架，風(fēng)荷載計(jì)算方法為：

—風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值;

—高度z處的風(fēng)振系數(shù);

—風(fēng)荷載高度變化系數(shù);

—風(fēng)荷載體型系數(shù)，對(duì)于雙坡屋面，可按照表7.3.1項(xiàng)次27取值;單坡屋面以跨度1/2作為分區(qū)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(fēng)壓。

對(duì)于檁條風(fēng)荷載，按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)的風(fēng)載計(jì)算方法為：

—風(fēng)荷載體型系數(shù)，按照7.3.3項(xiàng)取值

—高度z處的陣風(fēng)系數(shù)。

由于輕鋼頂棚較為輕柔，自振周期一般均會(huì)超過0.25s，按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[1]的規(guī)定，不能忽略風(fēng)振系數(shù)的影響。計(jì)算風(fēng)荷載體型系數(shù)時(shí)，當(dāng)屋面坡度小于10度時(shí)，以風(fēng)為吸力，但是開敞式結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)有過敏反應(yīng)，即風(fēng)由吸力變?yōu)閴毫?。從工程?shí)例來看，考慮完全變號(hào)，有些保守，可考慮-0.5Us。檁條主要考慮風(fēng)吸力。

實(shí)例計(jì)算：某水池鋼結(jié)構(gòu)頂棚，經(jīng)過計(jì)算，自振周期T=0.7s，基本風(fēng)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(jié)構(gòu)風(fēng)荷載

2.2 檁條風(fēng)荷載

3檁條設(shè)計(jì)

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(jù)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(jù)壓型鋼板要求，一般1.5m左右。為了給檁條提供側(cè)向支撐，減少檁條在施工和使用階段的側(cè)向變形和扭轉(zhuǎn)，檁條之間需設(shè)置拉條和撐桿。圓鋼作拉條時(shí)，圓鋼直徑不宜小于10mm;撐桿長(zhǎng)細(xì)比不得大于200。檁條計(jì)算可按《冷彎薄壁型鋼規(guī)范》[3]計(jì)算。

屋面能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)時(shí)，僅進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算：

屋面不能阻止檁條側(cè)向失穩(wěn)以及風(fēng)荷載使檁條下翼緣受壓時(shí)，按照穩(wěn)定計(jì)算：

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

4柱腳及預(yù)埋件

輕鋼結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的砼結(jié)構(gòu)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(duì)于固接柱腳，還存在較大的彎矩，在風(fēng)荷載起控制作用的情況下，由于輕鋼結(jié)構(gòu)自重很輕，有可能不足于抵抗風(fēng)荷載產(chǎn)生的上拔力，柱底還存在較大的上拔力，因此，柱腳及預(yù)埋件的設(shè)計(jì)對(duì)于鋼頂棚是非常重要的。

柱腳包括鉸結(jié)柱腳和剛結(jié)柱腳兩種，頂棚不像其他封閉的鋼結(jié)構(gòu)，可以在柱間增加斜撐來保持穩(wěn)定性，因此，頂棚的柱腳應(yīng)設(shè)計(jì)成剛結(jié)，才能保證頂棚為幾何不變體系。由于預(yù)埋柱腳為剛接時(shí)，柱底內(nèi)力同時(shí)存在軸向力N、水平剪力V和彎矩M，因此對(duì)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(dāng)柱腳底板較大時(shí)，可以將池壁頂部局部加寬，做成牛腿形式。

假定底板下壓應(yīng)力成直線分布，

頂棚是直接架立在池壁上，因此，柱底內(nèi)力可以通過兩種方式傳遞給池壁。

一種是在池壁中預(yù)埋錨栓，柱腳底板與錨栓相連。因?yàn)橐?guī)范規(guī)定錨栓不能抗剪，所以柱底應(yīng)設(shè)置抗剪鍵。錨栓計(jì)算如下：

當(dāng)? 時(shí)，底板與池壁開始脫離，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力，而該拉應(yīng)力合力應(yīng)由錨栓來承擔(dān)，如圖3所示。

一種是在施工時(shí)，池壁內(nèi)設(shè)置預(yù)埋鋼板及錨筋（圖4），柱腳底板與預(yù)埋鋼板焊牢，柱底內(nèi)力通過預(yù)埋件的錨筋傳遞給池壁。錨筋面積可以按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 （2015年版）》[5]9.7.2公式計(jì)算，同時(shí)，預(yù)埋鋼板及錨筋的構(gòu)造要求也應(yīng)滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 （2015年版）》[5]9.7節(jié)中的相關(guān)規(guī)定。

5結(jié)束語

①鋼結(jié)構(gòu)頂棚建設(shè)在水池之上，因此，頂棚結(jié)構(gòu)應(yīng)與池體結(jié)構(gòu)相適應(yīng)，并且盡量減少對(duì)池體結(jié)構(gòu)的影響;②鋼結(jié)構(gòu)頂棚重量輕，而且為開敞式結(jié)構(gòu)，對(duì)風(fēng)荷載影響的敏感程度大于一般的封閉式輕鋼結(jié)構(gòu)，因此對(duì)風(fēng)荷載計(jì)算應(yīng)慎重考慮。一些鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)軟件，如STS，無法在三維建模時(shí)直接考慮風(fēng)吸力的影響，必須人工輸入，才能保證計(jì)算結(jié)果的正確性;③由于壓型鋼板重量輕，檁條下翼緣在風(fēng)吸力作用下的也會(huì)受壓，所以，拉條設(shè)置應(yīng)能保證檁條上下翼緣均可受到約束;④柱腳（預(yù)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(yīng)重視柱腳（預(yù)埋件）的設(shè)計(jì)，同時(shí)還應(yīng)該驗(yàn)算柱底力對(duì)池壁結(jié)構(gòu)的影響。

參考文獻(xiàn)

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