火電廠鋼結構的分析與思考

【摘 要】火電廠結構設計不但要求安全、可靠，還要盡量壓縮施工周期。設計師們不約而同選擇了抗震性能優越、施工周期短、施工安裝靈活的鋼結構。以下主要介紹了火電廠結構設計工作中鋼結構設計的重要環節和核心問題，并總結了一些經驗。

【關鍵詞】火電廠；鋼結構；結構分析

1、判斷結構是否適合用鋼結構

鋼結構通常用于高層、大跨度、體型復雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動、高溫車間、密封性要求高、要求能活動或經常裝拆的結構。直觀的說：火電廠、大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、倉棚、工廠、住宅和臨時建筑等。這是和鋼結構自身的特點相一致的。

2、結構選型與結構布置

由于結果選型涉及廣泛，做結構選型及布置應該在經驗豐富的工程師指導下進行。在鋼結構設計的整個過程中都應該被強調的是“概念設計”，它在結構選型及布置階段尤其重要。對一些難以做出精確理性分析或規范未規定的問題，可依據從整體結構體系與分體系之間的力學關系、破壞機理、震害、試驗現象和工程經驗所獲得的設計思想，從全局的角度來確定控制結構的布置及細部措施。運用概念設計可以在早期迅速、有效地進行構思、比較與選擇。所得結構方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結構分析階段不必要的繁瑣運算。同時，它也是判斷計算機內力分析輸出數據可靠與否的主要依據。由于火電廠專業多、配合多、工藝復雜等特殊性，為了滿足工藝專業的功能需要，經常需要構思出一些非常規的結構類型，這就需要一定的工程經驗的積累及對“概念設計”具備一定深度的理解的工程人員，發揮主觀能動性創造出經濟、實用的工程設計，亦為后人提供了參考、借鑒的實例。林同炎教授在《結構概念和體系》一書中介紹了用整體概念來規劃結構方案的方法，以及結構總體系和個分體系間的相互力學關系和簡化近似設計方法。鋼結構通常有框架、平面（桁）架、網架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結構型式，火電廠中應用較多的是框架、桁架結構型式。

結構選型時，應考慮它們不同的特點。在輕鋼工業廠房中，當有較大懸掛荷載或移動荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網架。基本雪壓大的地區，屋面曲線應有利于積雪滑落，有利于釋放總雪載，降雨量大的地區相似考慮。建筑允許時，在框架中布置支撐會比簡單的節點剛接的框架有更好的經濟性。

結構的布置要根據體系特征，荷載分布情況及性質等綜合考慮 . 一般的說要剛度均勻 . 力學模型清晰 . 盡可能限制大荷載或移動荷載的影響范圍，使其以最直接的線路傳遞到基礎 . 柱間抗側支撐的分布應均勻 . 其形心要盡量靠近側向力（風震）的作用線 . 否則應考慮結構的扭轉. 結構的抗側應有多道防線 . 比如有支撐框架結構，柱子至少應能單獨承受 1/4 的總水平力。國內一些較大機組的主廠房的設計就是采用鋼結構加支撐的結構型式，有利于主廠房的抗震。

框架結構的樓層平面次梁的布置，有時可以調整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁，但是這會使主梁截面加大，減少了樓層凈高，頂層邊柱也有時會吃不消，此時把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。

3、預估截面

結構布置結束后，需對構件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。

鋼梁可選擇槽鋼、工字鋼、軋制或焊接 H 型鋼截面等。根據荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的 1/20～ 1/50 之間選擇。翼緣寬度根據梁間側向支撐的間距按 l/b 限值確定時，可回避鋼梁的整體穩定的復雜計算，這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規范中局部穩定的構造規定預估。柱截面按長細比預估 . 通常50<λ<150，簡單選擇值在 100 附近。根據軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或 H 型鋼截面等。除此之外，構件截面形式的選擇沒有固定的要求，結構工程師應該根據構件的受力情況，合理地選擇安全經濟美觀的截面。

4、結構分析

目前鋼結構實際設計中，結構分析通常為線彈性分析，條件允許時考慮 P-Δ，p-δ.。新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能 . 這為更精確的分析結構提供了條件。并不是所有的結構都需要使用軟件。典型結構可查力學手冊之類的工具書直接獲得內力和變形。簡單結構通過手算進行分析。復雜結構才需要建模運行程序并做詳細的結構分析。

5、工程判定

要正確使用結構軟件，還應對其輸出結果的做“工程判定”。比如，評估各向周期、總剪力、變形特征等。根據“工程判定”選擇修改模型重新分析，還是修正計算結果。不同的軟件會有不同的適用條件。初學者應充分明了。此外，工程設計中的計算和精確的力學計算本身常有一定距離，為了獲得實用的設計方法，有時會用誤差較大的假定，但對這種誤差，會通過“適用條件、概念及構造”的方式來保證結構的安全。鋼結構設計中，“適用條件、概念及構造”是比定量計算更重要的內容。工程師們不應該過分信任與依賴結構軟件，注重概念設計和工程判定是避免因結構軟件出錯而造成嚴重的后果。

6、構件設計

構件的設計首先是材料的選擇，比較常用的是Q235（類似 A3）和 Q345（類似 16Mn），通常主結構使用單一鋼種以便于工程管理，經濟考慮，也可以選擇不同強度鋼材的組合截面，當強度起控制作用時，可選擇Q345 ；穩定控制時，宜使用 Q235。構件設計中，現行規范使用的是彈塑性的方法來驗算截面。這和結構內力計算的彈性方法并不匹配。當前的結構軟件，都提供截面驗算的后處理功能。由于程序技術的進步，一些軟件可以將驗算時不通過的構件，從給定的截面庫里選擇加大一級 . 并自動重新分析驗算，直至通過。這是常說的截面優化設計功能之一。它減少了結構師的很多工作量。但是，初學鋼結構至少應注意兩點：

6.1 軟件在做構件（主要是柱）的截面驗算時，計算長度系數的取定有時會不符合規范的規定 . 目前所有的程序都不能完全解決這個問題。所以，尤其對于節點連接情況復雜或變截面的構件，結構師應該逐個檢查。

6.2 當上面第 3 條中預估的截面不滿足時，加大截面應該分兩種情況區別對待。①強度不滿足，通常加大組成截面的板件厚度，其中，抗彎不滿足加大翼緣厚度，抗剪不滿足加大腹板厚度。②變形超限，通常不應加大板件厚度，而應考慮加大截面的高度，否則，會很不經濟。使用軟件的前述自動加大截面的優化設計功能，很難考慮上述強度與剛度的區分，實際上，常常并不合適。

7、節點設計

連接節點的設計是鋼結構設計中重要的內容之一。在結構分析前，就應該對節點的形式有充分思考與確定。常常出現的一種情況是，最終設計的節點與結構分析模型中使用的形式不完全一致。這必須避免，按傳力特性不同，節點分剛接，鉸接和半剛接，初學者宜選擇可以簡單定量分析的前兩者，常用的參考書有豐富的推薦的節點做法及

計算公式。連接的不同對結構影響甚大。比如，有的剛接節點雖然承受彎矩沒有問題，但會產生較大轉動，不符合結構分析中的假定。會導致實際工程變形大于計算數據等的不利連接節點有等強設計和實際受力設計兩種常用的方法，初學者可偏安全選用前者。設計手冊中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設計者查用，比較方便。也可以使用結構軟件的后處理部分來自動完成。

8、總結

鋼結構雖然有諸多優點，但它也有很多弊端，相對而言，鋼材價格比較昂貴、耐火性能差、某些偏遠地區鋼材及鋼結構成品運輸困難、鋼結構節點復雜等，因此，應該對比鋼結構和混凝土結構的適用性而因地制宜地選擇，不能盲目的選擇。

參考文獻：

[1]GB50009-2001. 建筑結構荷載規范

[2]GB50017-2003. 鋼結構設計規范

[3]GB50011-2001. 建筑抗震設計規范

[4]JGJ81-2002. 建筑鋼結構焊接技術規程