汽機房鋼屋架計算模型分析

葉蔥蔥 陳壽標

汽機房鋼屋架計算模型分析

葉蔥蔥 陳壽標

(福建省電力勘測設計院 福建福州 350001)

以往對汽機房鋼屋架的計算多采用PKPM的STS模塊進行平面簡化模型計算，將屋架支座簡化為兩端鉸接支座，該模型并沒有考慮鋼桁架下弦桿彈性伸長對屋架內力的影響，在設計上會導致屋架下弦桿實際受拉超過計算受力，產生安全隱患。文章采用STAAD軟件將主廠房的鋼屋架和兩側框排架柱整體建模計算，指出鋼屋架支座實際剛度對屋架內力的影響，并根據整體計算的結果提出更合適的簡化計算模型，以正確選擇電廠鋼屋架的計算模型，保證屋架結構的安全可靠，而且推進了STAAD軟件在復雜混凝土結構設計方面的應用。

汽機房鋼屋架;平行弦屋架;支座位移

1 工程概況

該工程為福建華電邵武電廠三期2X660MW機組工程，主廠房橫向結構為A、B、C、D列四列式布置，A～B列為汽機房(跨度30.6m)，B～C列為除氧間(跨度9m)，C～D列為煤倉間(跨度12m)；縱向框架結構共18跨，柱距為10m，兩臺機組間設一道伸縮縫，插入距為1.2m，使兩機各自成為獨立結構體系。

主廠房的橫向結構體系為現澆鋼筋混凝土框排架：由汽機房外側A排柱、汽機房鋼屋架、除氧煤倉間雙框架組成。主廠房縱向結構體系為現澆鋼筋混凝土框架，由各列砼柱與縱粱組成。

該工程基本風壓0.3kN/m2,基本雪壓0.35kN/m2，地面粗糙度類別為B類；抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第一組，建筑場地類別為Ⅱ類[1]；主廠房抗震設防類別為乙類，結構抗震等級為二級。

汽機房屋面結構采用鋼屋架、鋼檁條、壓型鋼板作底模、現澆鋼筋混凝土屋面板的結構，如圖1所示。該屋架采用平行弦鋼屋架，柱距10.0m，跨度為30.6m，屋面坡度為5%，屋架制作時按L/500起拱，屋架桿件采用雙角鋼。屋面結構設計活荷載標準值為1kN/m2。根據《火力發電廠土建結構設計技術規程》(DL5022-2012)該工程鋼屋架跨度不大于36m時，屋架設計不考慮溫度作用[2]。

圖1 汽機房鋼屋架

2 原有計算模型

傳統的鋼結構屋架計算一般采用PKPM中的STS模塊進行平面簡化模型計算。在平面模型中，計算時假定全部構件均為軸心受力構件，結構所受荷載均簡化作用在桁架節點上。

汽機房屋架是通過在兩側A、B列柱懸挑牛腿上分別預埋2根直徑36mm螺栓連接，因此原有的設計模型中將鋼屋架的兩端均假定為鉸接支座。設計過程中，通過對比分析，發現屋架計算模型中支座模擬的差異會導致計算結果發生明顯的區別：

(1)將兩端模擬成鉸接支座。

(2)將屋架一端設置為鉸接支座，另一端設置成滑動支座。

從計算結果中發現，在相同結構，僅考慮屋面豎向荷載(1.2D+1.4L)的情況下，不同的支座模擬形式會導致內力的不同，進而導致桿件應力的差別。在鉸接模型計算應力合格的下弦桿，在滑動模型中出現了應力超標的情況。

現有圖集中將鋼屋架按只受上、下弦節點荷載的鉸接桁架計算，未考慮排架計算中廠房柱作用影響。圖集中也同時注明選用者應該根據具體情況對屋架下弦桿截面進行驗算[3]。

因此準確分析鋼屋架實際受力，正確選擇計算模型對于計算分析桿件內力，保證結構安全可靠具有重要的意義。

3 STAAD軟件的優勢

本文中采用STAAD軟件進行整體結構計算分析。 STAAD軟件在中國的應用主要集中在復雜工業建、構筑物中。在鋼筋混凝土結構設計方面，我院已成功運用于輸煤棧橋、混凝土灰庫、水工水池、圓形煤場和煙囪等電廠建構筑物中，取得良好的設計成果。

STAAD軟件與廣泛應用于民用建筑的PKPM設計軟件相比[4]，其較明顯的優勢體現在：STAAD整體建模計算，能有效、真實模擬結構的受力情況，精確進行內力計算，在滿足規范、保證安全的前提下，優化構件截面，節約工程造價。

4 STAAD的計算分析

在STAAD模型中通過模型對比,如圖2所示，分析兩端支座剛度對鋼屋架受力影響，并將主廠房A排柱、鋼屋架和除氧煤倉間的雙框架均按施工圖的截面尺寸建模，進行整體計算。

①

②

③圖2 不同支座剛度的計算模型

模型①為鋼屋架兩端單柱模型，模型②為兩端弱框架，模型③為兩端強框架。計算結果對比分析，如表1所示。由表1可以看出，模型①中兩側單柱剛度不足，對屋架的約束作用較弱，屋架下弦桿受力大小與上弦桿相當。并且，隨著支座剛度的加大，屋架下弦桿受力減小，趨近于兩端鉸接模型計算結果 。因此設計中不能簡單套用鋼屋架圖集，應根據支座實際情況對其進行復核。

表1 不同支座模型計算結果

對于燃煤電廠鋼屋架，通過不同模型，如圖3所示，計算結果對比，來選擇適合的簡化計算模型：模型(a)為兩端鉸接模型，模型(b)為一端鉸接、一端滑動模型，模型(c)為框排架整體模型。

(a)

(b)

(c)圖3 各計算模型軸力圖

模型A端位移(mm)B端位移(mm)上弦桿最大軸力(kN)下弦桿最大軸力(kN)下弦桿端部軸力(kN)(a)00-2078kN673kN-980kN(b)17mm0-2079kN2056kN414kN(c)16mm1mm-2075kN2042kN403kN

由表2可以看出，在相同豎向荷載作用下，模型(a)計算的下弦桿拉力明顯偏小，而且下弦桿兩端桿件為受壓，與實際受力不符。模型(b)與模型(c)計算的桿件拉壓性質相同，軸力大小相當，位移計算結果(1.0D+1.0L)也大致相同。

燃煤電廠主廠房框排架結構中B～D軸雙框架的剛度要比A排柱的剛度大很多。在屋面荷載及屋架自重荷載作用下，鋼屋架上弦鋼受壓，下弦鋼受拉。

汽機房A排柱高度達30m,其抗側剛度不足，對屋架的側向約束不夠，在屋架與A排柱連接處產生明顯的水平位移，如圖4所示。

圖4 整體結構變形圖

對于汽機房的鋼屋架，其實際模型的計算結果相當于一端鉸接、一端滑動的簡化計算模型。根據該模型計算結果，屋架下弦桿的受拉力與屋架上弦桿所受壓力大致相當，因此本工程設計中將下弦鋼采用與上弦鋼相同截面的角鋼。

5 結論

(1)現有鋼屋架圖集均按兩端鉸接計算，并且圖集中鋼屋架下弦桿截面比上弦桿小一號。而實際工程中，當支座剛度較弱無法達到兩端鉸接的效果時，鋼屋架下弦桿件的受力可能與上弦桿差不多，這種情況下直接套用鋼屋架圖集存在安全隱患。

(2)對于鋼屋架結構，設計中應考慮支座剛度對計算結果的影響，采用整體建模計算分析。

(3)對于燃煤電廠鋼屋架結構支座簡化為兩端鉸接，將導致鋼桁架下弦鋼計算受力比實際受力小，設計時可能下弦桿截面不足。A排柱剛度比B～D框架剛度小很多，鋼屋架實際計算中可以簡化為一端鉸接，一端滑動的簡化模型。

[1] 肖世祥,林敏,陳東乾.福建華電邵武電廠三期工程巖土工程勘察報告[R].福州: 福建省電力勘測設計院，2015.

[2] DL5022-2012 火力發電廠土建結構技術規程設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[3] 08SG510-1 國家標準圖集《輕型屋面平行弦鋼屋架》[S].北京：中國建筑標準設計研究院，2008.

[4] 葉蔥蔥.STAAD軟件二次開發在棧橋整體計算中的應用[J].福建建筑，2016(02):106-108.

Calculation model analysis of steel roof truss of turbine hall

YECongcongCHENShoubiao

(Fujian Electric power survey & Design Institute，Fuzhou 350001)

STS module of PKPM software is usually used in the calculation of the steel roof truss of turbine hall with the simplified plane analysis model.The model ,in which the support of roof truss is simplified to two end hinged support,does not consider the changes of the internal force of the roof truss because of the elastic elongation of the bottom chord of the steel truss.Security risks will happen because the actual tensile force of the buttom chord of roof truss may exceed the calculated force.In this paper,the STAAD software is used to calculate both the steel roof truss and the two-side frame columns of the main building,and to point out the influence to the internal forces of the roof trusses due to the actual stiffness of the steel truss supports.A more suitable simplified calculation model of stell roof truss is proposed according to the whole calculation results.The study can improve the method of calculation of stell roof truss to ensure the safety and reliability of the roof truss structure,as well as promote the use of STAAD software in the design of complex concrete structure.

Steel roof truss of turbine hall;Parallel chord truss;Support displacement

葉蔥蔥(1983.12- )，男，工程師。

E-mail:610766441@qq.com

2017-01-12

TU318

B

1004-6135(2017)04-0031-03