薄壁離心鋼管混凝土在電廠綜合管架中的應用

毛 維 （浙江省電力設計院，浙江 杭州 310012）

0 前 言

薄壁離心鋼管混凝土結構是一種由薄壁鋼管內澆筑混凝土經離心成型的空心鋼管混凝土結構，是一種新型的鋼—混凝土復合結構，它不但可充分發揮鋼和混凝土兩種材料物理力學特性，又可克服這兩種材料在各自單獨使用時的弱點，這種結構以前主要應用于發電廠和變電所屋外配電裝置的構件和設備支架。隨著應用范圍的不斷擴展，600MW、1000MW機組火力發電廠的廠區綜合管架支柱也越來越多的采用薄壁離心鋼管混凝土。本文就薄壁離心鋼管混凝土在電廠廠區綜合管架設計中遇到的一些問題進行總結探討，作為今后的工程設計參考。

1 設計情況

1.1 工程概況

某電廠工程規劃裝機容量2×1000MW 國產亞臨界機組，廠區綜合管架柱采用薄壁離心鋼管混凝土，廠區綜合管架長度近1200m。由于綜合管架所經過的路線長，地下管線及設施布置復雜，廠區道路縱橫交錯，工藝專業管道眾多，并且管與管、管與溝、溝與溝之間的相互交叉給設計帶來了困難，管道支吊點設置要求多、管道荷載較大等也給管架結構布置帶來了較大的困難。

1.2 結構布置

管架上部結構體系：橫向為鋼梁與薄壁離心鋼管混凝土柱剛接框架結構，縱向連梁為鉸接鋼梁或鋼桁架+垂直支撐。管架橫向跨度3～5m不等，一般分為2層，高度分別為5.60m、7.60m，個別管架有3層。管架縱向間距一般6～9m左右，因跨越道路、循環水管及地下設施要求，需設置15～34m不同跨度的桁架。參照以往工程及《鋼結構設計規范》8.1.5條規定，管架長度100m左右設一道伸縮縫。間距6m左右的管架橫向結構布置見附圖1。一側有桁架的管架，考慮到荷載相對較大，為提高管架支柱的承載力及結構的側向剛度，增加了柱間垂直支撐，橫向結構布置見附圖2；考慮到除灰，工藝專業管道有較大的縱向水平荷載及提高縱向結構體系的側向剛度，在縱向長度大約1/3處設置柱間垂直支撐，且盡量靠近縱向水平荷載位置，減少傳力路徑。

圖1

圖2

1.3 構件設計

1.3.1 設計原則和要求

設計主要依據《薄壁離心鋼管混凝土結構技術規程》、《鋼結構設計規范》、《火力發電廠土建結構設計技術規定》。

1.3.2 材料

根據管架荷載和高度要求，管架支柱初步選用薄壁離心鋼管混凝土（φ300×5-30）、（φ350×5-30）兩種類型，鋼管采用螺旋焊接管，離心混凝土采用普通C40混凝土；梁、支撐采用鋼結構，鋼材均采用Q235B。

1.3.3 荷載及荷載效應組合

恒荷載：管道、內襯、保溫層的結構自重，管道內介質自重，管架自重，預留管道荷載。

活荷載：管道溫度變化產生的橫向和縱向水平力。

風荷載：風荷載計算根據《土規》附錄F。

地震作用：根據《火力發電廠土建結構設計技術規定》9.9條規定，不進行抗震驗算，但按6度抗震構造措施設計。

荷載效應組合采用《建筑結構荷載規范》，活荷載、風荷載的組合系數值取0.85。

1.3.4 承載力、變形計算

1.3.4.1 管架結構按彈性體系計算內力

管架可以簡化為平面結構分析。由于管架柱是鋼—混凝土復合結構，而PKPM程序中沒有這種構件截面類型，如何模擬管架柱的剛度就成為結構分析的關鍵。而STAAD/PRO有限元程序可以把構件定義為一般截面，只要輸入其中幾個截面參數，比如：截面積、慣性矩等及材料特性就能模擬構件的剛度，從而可以分析結構。計算出管架柱的綜合剛度，綜合剛度可按下式計算：

式中：As、Is—分別為鋼管的截面面積和對其重心軸的慣性矩

Ac、Ic—分別為混凝土管柱的截面面積和對其重心軸的慣性矩

Es、Ec—分別為鋼材和混凝土的彈性模量

把它的材料特性定義為鋼材，并按其綜合剛度折算，計算出構件截面的面積、慣性矩等參數。這樣就解決了管架柱剛度如何模擬的問題。所以結構分析采用STAAD/PRO有限元程序。取其中有代表性的橫向管架兩榀，結構布置分別見圖1、圖2。通過STAAD/PRO有限元程序建模，梁、柱、支撐都是桿單元，其中把柱定義為一般截面，材料特性定義為鋼材，并按其綜合剛度折算，輸入截面的面積、慣性矩，梁、支撐按實際截面材料特性輸入，再輸入各個荷載工況。通過結構分析，得出每個構件的各個荷載工況及組合荷載工況的內力及結構的變形。

1.3.4.2 強度和變形計算

管架柱分別按偏心受壓、偏心受拉、受彎構件進行強度計算，構件的長細比限值按文獻[1]3.0.5～3.0.6條規定偏保守的取120。承載力按文獻[1]4.1條規定計算，偏心受壓構件的極限承載力設計值可按下式計算：

式中：Nμ—偏心受壓柱的極限承載力設計值

φL—考慮長細比影響的承載力折減系數

φe—考慮偏心率影響的承載力折減系數

N—設計軸壓力

No—軸心受壓短柱的極限承載力設計值

Ac、As—分別為混凝土和鋼管的截面面積

提出了對粉碎后的垃圾進行收集綜合利用的方法來處理餐廚垃圾的建議，從而達到循環利用、變廢為寶，通過末端收集裝置把粉碎后的餐廚垃圾制作有機肥料。

Fc、Fs—分別為混凝土和鋼管的抗壓設計值

偏心受拉構件的極限承載力設計值可按下式計算：

式中：Nt—偏心受拉構件的極限承載力設計值

N—設計軸拉力

φ—構件的含鋼特征值，φ=AsFs+1.3AcFc

εo—構件的偏心率，εo=eor

r—鋼管截面的外半徑

受彎構件的極限承載力設計值可按下式計算：

式中：Mμ—受彎構件的極限承載力設計值

M—設計彎距

其中構件的計算長度系數如何取值很關鍵，文獻[1]4.1.7條規定應按有關規范和專業技術規定取用，參照文獻[1]條文說明4.1.7～4.1.9條，比較《鋼結構設計規范》中的附錄D與《鋼管混凝土結構設計及施工規程》（JCJ01—89）中附表4、5，柱的計算長度系數取值是一樣的，因此計算長度系數按《鋼結構設計規范》（GB50017—2003）附錄D中規定取值，等效計算長度系數偏保守的取K=1。通過計算分析得出薄壁離心鋼管混凝土柱（300x5—30）、（350x5—30）的設計軸拉力N與偏心受拉極限承載力設計值NT比值，設計彎距M與受彎構件極限承載力設計比值更小，均滿足規范要求。

管架在正常使用階段變形限值按文獻[1]5.0.1條，規定應按有關規范和專業技術規定取用。比較《鋼結構設計規范》中的附錄A與《鋼管混凝土結構設計及施工規程》（JCJ01—89）中表3.2.3-1、表3.2.3-2中規定，多層框架的變形限值取值是一樣的。后者增加了框架—斜撐結構型式的變形限值。因此管架的側向變形限值按《鋼管混凝土結構設計及施工規程》（JCJ01—89）中表3.2.3—1、表3.2.3—2中規定，即風荷載標準值作用下，多層框架層間相對位移限值為H/400，柱頂位移限值為H/500；框架—斜撐層間相對位移限值為H/600，柱頂位移限值為H/800。通過STAAD/PRO有限元程序分析，管架層間相對位移柱頂位移均滿足規范要求。

鋼梁、柱間支撐等鋼結構構件的強度、穩定驗算通過STAAD/PRO有限元程序完成，并滿足規范要求。

1.4 節點設計

①根據文獻[1]6.1.1條規定：a.節點強度要大于母體強度，并留有一定的裕度及滿足剛度要求；b.構筑力求簡單，傳力明確，整體性好，要使鋼管和混凝土管能共同工作。

②管架柱與鋼架、鋼支撐的連接均采用焊縫連接，因對較薄鋼板，焊縫強度不能達到與母材等強度要求，故連接設計中均增加10mm外襯管。

③柱與基礎的連接方式采用杯口插入式，杯口基礎的尺寸、配筋及柱與杯口基礎的連接等要求，需滿足《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)第8.2.5條。插入杯口的深度除滿足文獻[1]6.4條計算要求外，并不得小于1.5D。鋼管柱基礎還應高出地面100mm以上。

2 小 結

①薄壁離心鋼管混凝土在電廠綜合管架中的應用在設計中要考慮以下一些問題：合理的布置結構；如何模擬管架柱的剛度；管架柱的計算長度系數；管架在正常使用階段變形限值如何取值；節點設計的構造要求。

②工程設計和應用表明，薄壁離心鋼管混凝土作為一種復合結構，在節省鋼材、水泥以及降低工程造價方面具有十分明顯的優勢，且設計理論日益成熟，具有廣闊的應用前景。

[1]DL/T5030—1996,薄壁離心鋼管混凝土結構技術規程[S].北京:中國電力出版社,1996。

[2]DL5022—2012,火力發電廠土建結構設計技術規定[S].北京:中國電力出版社,2012.

[3]GB50017—2003,鋼結構設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2003.

[4]CECS28：90，鋼管混凝土結構設計及施工規程[S].北京:中國計劃出版社,1990.