建筑结构某湿式储气罐改造结构设计左晓明\张同亿\龚政2（1中国中元国际工程公司，北京100089；2北京中机一院工程设计有限公司，北京100044）在对50 000m3湿式储气罐原有结构分析的基础上，提出了满足展览中心、演艺中心、电影博物馆民用建筑功能要求的结构改造方案。进一步洋细介绍了对支撑结构、原有竖向构件、屋面结构的具体改造方案。并根据规范要求对结构进行分析计算，给出了相应的计算结果。
湿式储气罐；改造；支撑；格构柱；长细比；桁架1湿式储气罐原结构简介本项目储气罐为四塔结构，在充气状态下的剖面见，直径约46m，*大顶部高度约49.68m.一~四塔立柱与各塔的上下环梁形成各塔的钢骨架结构，外围为3mm厚钢板。水槽在充气状态下充满水以封闭气体，外圈由18~6mm变厚度拼接焊钢板构成，同样由顶部的环形梁进行加强，下部直接焊接于底部钢板；底部钢板为由6mm厚钢板拼接而成直径48500mm的圆形底板。气罐顶部为单层的网格梁结构，平面布置图见，其中①，②杆件为I22a，③杆件为22a，支撑系统杆件为L90x8. 2储气罐结构改造方案及实现措施根据储气罐现有条件，确定将3个储气罐分别改造为展览中心、演艺中心、电影博物馆，3个建筑高度均在20m左右，内部空间高、大、富于变化，层数为34层。以展览中心为例进行阐述。
根据以上要求，提出如下结构方案：将三塔与四塔重叠升起，这样便可形成约为20m高的建筑空间，见。此方案主要基于以下几方面的考虑：（1）受力体系的要求。由于原储气罐工作时在气体向外的压力下为受拉体系，结构构件均非常纤细；而在改造后整个结构变为在恒载、活载等作用下的受压体系，并有抗侧力要求。重叠升起三塔、四塔，可利用两层塔之间的空间，加固改造原有竖向构左晓明，等。某湿式储气罐改造结构设计承托结构节点承托柱截面件，使其满足受压体系长细比要求。
（2）建筑空间要求。对三塔、四塔进行重叠升起，可以在三塔、四塔中心位置进行下部支撑结构的构建，相比单层升起能够使改造后的建筑内部空间更大（3）保温要求。在采取以上方案的情况下，可在三塔、四塔之间的空间内填充保温材料，以解决纯钢外围护结构的保温难题。
改造后的整体效果见。
四塔构件承托环梁三塔I构件承托柱储气罐改造结构方案储气罐改造后整体效果2.1承托结构设计承托结构在考虑结构受力并结合建筑要求后，确定用18根钢柱作为下部的承托竖向构件。由于18根钢柱间隔为20°，与三、四塔原有立柱无法对位，所以在钢柱顶连接整圈的钢环梁，以承托上部的三塔、四塔及屋顶传来的荷载。
柱子的截面选型根据建筑的平面形状确定。圆形的建筑平面在笛卡尔坐标系内为全对称形状，因此要求柱两个方向的刚度基本相同；而在柱面坐标系内，柱子的环向刚度可较径向刚度略小。根据上述分析采用箱形截面钢柱作为承托结构竖向构件。
环梁选型考虑受力要求。上部结构在抗侧力及竖向荷载作用下均对环梁有扭矩作用，因此环梁确定采用箱形截面。钢柱、环梁截面见~7，承托结构三维图见。
2.2三塔、四塔竖向构件改造设计四塔立柱为I2a的热轧工字钢，三塔立柱为100角钢组合槽形截面，二者长细比远远小于规承托环梁截面竖向柱间支撑布置方案范对柱长细比的要求。四塔立柱沿圆周共48根，三塔立柱沿圆周共32根，二者没有角度上的对应关系，见。根据以上情况，采用以下方案：1）在三塔内侧新加立柱，位置对应四塔原有立柱，为沿圆周48根，截面采用热轧窄翼缘H型钢HN200b；2）在四塔原有立柱与三塔新加立柱之间加腹杆，使二者组成格构柱。具体结构布置情况见，10.三、四塔立柱对应关系建筑结构2.3储气罐屋面结构的改造穹顶单层网格梁结构，原工作状态下，在气体向外压力作用下同样是受拉体系，主要梁截面为I22a热轧工字形钢，并每隔90°设置了水平支撑系统。同样，在储气罐改造为展览中心、演艺中心、电影博物馆后，单层梁式的穹顶结0三、四塔立柱构难以承受屋面围护改造方案层、雪、屋顶吊挂等带来的荷载。综上，给原屋面结构增设下弦，并通过腹杆将原有梁与下弦连接成为桁架式的屋架结构，下弦截面为焊接H形截面，截面高度220mm，宽度100mm.具体结构布置见。2.4储气罐改造后内部功能结构的实施方式内部功能结构与整个储气罐形成的围护结构连为整体，共同承受各种荷载。这样整体刚度及整体性较好，能够更好地满足结构的性能需求。
2.5斜支撑设置2.5.1竖向柱间支撑为加强整体结构环向刚度，在下段承托柱之间设置4道柱间竖向支撑，80°，100°间隔布置；同理在上段格构柱之间也设置了4道柱间竖向支撑，每90°布置一道。竖向柱间支撑布置见。
屋顶结构下弦支撑为保证屋架下弦平面外稳定及环向刚度，按屋架上弦支撑位置设置下弦支撑。支撑采用钢管截面，以保证支撑外露的美观性。
3计算分析在建模时，钢框架柱、钢框架梁及屋架等均采用杆件单元进行模拟；主要结构构件中的承托环梁则采用壳单元构建梁的形态，从而也实现了与上段格构柱的转接节点对应。计算分析考虑了模态、恒载、活载、风荷载、地震作用等工况。现对展览中心的计算结果及分析进行阐述。
3.1模态分析展览中心模态分析计算振型为12阶，1列出了前4阶振型及周期，前4阶振型的有效质量参与系数达到了93%.从图中也可以看出，第1，2阶振型为两个垂直方向上的平动振动，第3阶振型为绕z轴的扭转，第4阶振型为屋架部分的竖向振动。
以上振型分布符合规范要求及概念设计原则。
在方案布置之初，曾考虑将储气罐改造后的外围结构与内部功能结构互相脱开独立的方案。在计算过程中也做了相应的计算，2列出了外围结构独立情况下的前3阶振型。与上面的整体模型计算结果对比可得出：1）各振型周期比整体方案长很多，可见结构刚度相对较差；2）从各阶振型可看出外围结构局部变形较大，在承托环梁位置明显已经变形，不能再保持圆形的形状，局部振动占比重较大。因此放弃了此种方案，*终采用了内部功能结构与外围结构连为整体的方案。
模态1展览中心*终整体模型前4阶振型模态2外围结构模型前3阶振型左晓明，等。某湿式储气罐改造结构设计竖向柱间斜支撑与屋架下弦斜支撑的布置同样以模态分析的结果为依据。3为无竖向柱间斜支撑时的第1阶振型，明显可以看出为扭转振型。
4为无屋架下弦斜支撑时的第3阶振型，为下弦环向的扭转振型。以上两种振型的分布是在设计中应予以避免的，因此加设了斜向支撑，*终计算结果满足相应要求。
3无竖向柱间斜4无屋架下弦斜支撑时第1阶振型支撑时第3阶振型3.2风荷载及地震作用分析55kN/m2，地面粗糙度为B类。根据计算所得基本自振周期=0. 0.25s，分析时考虑了脉动风压的风振影响。风荷载的作用方向除两个正交方向之外，还考虑了平面45°方向上的风荷载作用。工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g场地类别n类。水平地震作用采用振型分解反应谱法进行计算，由于内部结构是非轴对称的，增加考虑平面45°方向上的地震作用。屋盖竖向地震作用取重力荷载代表值的6%计入。
3.3变形分析通过展览中心整体结构的计算，对其进行了变形分析。在恒载+活载标准值作用下屋架跨中竖向变形为24.99mm，与跨度之比为1/1 720，满足规范的要求。环梁竖向变形为1.86mm，与直线跨度之比为1/4392，同时在上段柱底弯矩的作用下环梁的扭转变形也很小；在地震作用下*大层间位移角为3.4应力分析展览中心计算所得部分构件*大应力比：承托柱为0.787，屋架弦杆为0.876，上段格构柱肢为0.575；*大应力：承托环梁翼缘为40.托环梁腹板为42.77N/mm2.近年来对工业遗址的改造项目逐渐增多，但对湿式储气罐的改造尚少，值得进一步思考与研究。介绍了某工业遗址改造项目中储气罐改造结构设计，并提出了其中一些细部处理方法，给出了计算分析结果，旨在给类似项目的设计提供与借鉴。
