主廠房鋼結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化設計研究

孫亮

【摘 ?要】隨著工程技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，對電力的需求量越來越大，火力發(fā)電廠的裝機容量不斷增大，導致主廠房體型、荷載越來越大。主廠房作為發(fā)電廠中最重要的建筑，它的材料選用、結(jié)構(gòu)選型和計算手段以及設計構(gòu)造直接關系到發(fā)電廠的合理性、經(jīng)濟性等。鋼結(jié)構(gòu)具有重量輕、強度高、塑性和韌性好、工業(yè)化程度高、施工速度快等優(yōu)點。由于鋼結(jié)構(gòu)重量輕，地震產(chǎn)生的地震作用力相對較小，以及鋼材的塑性和韌性好、具有較強的變形協(xié)調(diào)能力等突出優(yōu)點，對建造于高烈度地震區(qū)且場地條件惡劣的主廠房，鋼結(jié)構(gòu)也被越來越多的采用。

【關鍵詞】主廠房鋼結(jié)構(gòu);設計優(yōu)化分析;主要受力體系

1 引言

本文分析了國內(nèi)外電廠項目，通過技術(shù)經(jīng)濟比較，并總結(jié)和提煉了在設計過程中所做的相關研究，就鋼結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化提出了結(jié)論或建議，旨在使主廠房結(jié)構(gòu)在安全性和經(jīng)濟性方面取得一個平衡，為以后工程設計及投標提供技術(shù)支撐。

2 設計優(yōu)化分析

2.1 鋼材

工程中主廠房采用何種鋼材，是與結(jié)構(gòu)構(gòu)件所承受的荷載大小息息相關的。荷載較小或地震烈度低時，用Q235B即可滿足設計要求，并獲得較好的經(jīng)濟性，工藝荷載較大或地震烈度高時，低強度鋼材已經(jīng)不能滿足設計要求，或者使用低強度鋼材將不得不加大構(gòu)件斷面，從而增加用鋼量，這時，采用高強度鋼材可在滿足設計要求的同時取得較好的經(jīng)濟性。西方先進國家如日本、歐美等使用高強度鋼材比較普遍;而我國以前較少使用高強度鋼材，目前一般工程中也是主廠房框架部分較多采用Q345B鋼材，更高強度等級的鋼材實際工程中較少采用，因為對有抗震要求的框架梁柱來說，我國規(guī)范對板件的寬厚比、高厚比、長細比等有嚴格要求，采用更高強度等級的鋼材并不一定經(jīng)濟。

2.2 梁、柱斷面形式

由于目前主廠房普遍采用橫向框架承重體系，且橫向樓層較高，而縱向可以設置聯(lián)系梁來減小柱子的縱向長度，所以柱子一般采用焊接H型鋼斷面，強軸位于橫向平面內(nèi)，弱軸位于縱向平面內(nèi)，這樣可以使兩個方向的穩(wěn)定應力比較接近。

2.3 主要受力體系

在主廠房結(jié)構(gòu)設計中，柱網(wǎng)布置、汽機房屋蓋系統(tǒng)、抗側(cè)移體系（垂直支撐的類型及布置）、柱腳等因素占有重要的地位，與之相關的其他部分則應與其共同配合、相互協(xié)調(diào)。

2.3.1 柱網(wǎng)布置

主廠房柱網(wǎng)布置，即柱的排列和柱距，是結(jié)構(gòu)設計中重要的影響因素。

我國火電廠主廠房柱的布置通常做法是采用相等柱距、對齊排列的方式，日本、前蘇聯(lián)（俄羅斯）、法國等亦多如此。

美國火電廠主廠房設計一般為不等柱距，如汽機房有時可多達8種柱距，因為他們認為如此布置可使工藝布置緊湊合理，而構(gòu)件種類的增多僅表現(xiàn)在加工放樣圖的構(gòu)件長度尺寸上有所變化。美國、德國等設計認為：當主廠房縱向柱距大于或等于10米時，構(gòu)件截面將由撓度控制，因而是不經(jīng)濟的，故美國設計的主廠房縱向柱距通常為9米左右。

從我國的情況及鋼結(jié)構(gòu)本身的特點來看，主廠房柱的布置采用相等柱距、對齊排列的方式是適宜的，可使主要構(gòu)件達到經(jīng)濟合理和標準化、系列化，有助于加快設計進度和提高設計質(zhì)量，同時也降低了制作和安裝的工作量。

主廠房橫向跨度的選取，原則是在滿足工藝布置要求的情況下，盡量減小跨度。

2.3.2 汽機房屋蓋體系

汽機房屋蓋體系主要有兩種：一種是屋面大梁形式，屋面梁采用焊接H型鋼截面，梁與框架柱采用剛接連接，汽機房屋面雙向找坡，形成一個矢高較小的拱，以減小跨中撓度，屋面采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆板;一種是采用鋼屋架，屋架的上弦與下弦平面內(nèi)設置水平支撐，形成空間結(jié)構(gòu)體系，屋面采用輕型封閉。

這兩種屋蓋體系均在工程中廣泛使用，各有優(yōu)缺點。屋面大梁形式簡單，外觀簡潔明了，有些業(yè)主認為該種方式較為美觀;鋼屋架形式由于屋架上弦和下弦平面內(nèi)都布置了水平支撐，且鋼屋架本身看起來桿件較多較復雜。從設計施工方便性來說，屋面大梁形式較鋼屋架形式方便，加工制作簡單，安裝起來也方便。不過，由于屋面大梁形式采用的是實腹式截面，用鋼量較鋼屋架多，經(jīng)濟性較差。實際工程中采用何種汽機房屋蓋形式，需綜合各方面因素確定。

2.3.3 抗側(cè)移體系

主廠房結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移體系分橫向和縱向，主廠房橫向主要有剛接框架、鉸接框架加支撐、剛接框架加支撐體系;主廠房縱向目前世界各國普遍采用的是鉸接框架加支撐體系。

剛接框架體系的長處在于柱間無支撐，便于工藝布置。缺點在于梁柱節(jié)點相對復雜，柱子截面較大;而且由于結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度較小，結(jié)構(gòu)的變形相對較大。該結(jié)構(gòu)體系僅適用于低烈度地震區(qū)。

鉸接框架加支撐體系由于水平力由橫向垂直支撐承受，框架主要承受垂直荷載，柱截面相對較小，梁柱連接節(jié)點相對簡單，施工較方便，在主廠房縱向結(jié)構(gòu)體系中普遍采用。

2.3.4 柱腳形式

主廠房鋼柱柱腳與鋼筋混凝土基礎之間的連接可采用鉸接、剛接或強軸剛接弱軸鉸接，采用何種類型的柱腳形式，要與上部結(jié)構(gòu)的抗側(cè)移體系相匹配。

全鉸接的柱腳，優(yōu)點是柱腳沒有彎矩，柱腳節(jié)點比較簡單。印度的設計認為，全鉸接的柱腳及基礎可以做的相對經(jīng)濟，傾向于采用這種形式。不過，對基礎來說，即使采用全鉸接的柱腳，柱底的剪力對基底的附加彎矩仍很大，而基礎大小通常由彎矩控制，與強軸剛接的柱腳相比，全鉸接柱腳并沒有多少經(jīng)濟優(yōu)勢。

2.4 支撐檔數(shù)及合理布置

對主廠房縱向結(jié)構(gòu)來說，一般一臺機設置2檔到3檔支撐（2檔支撐用的最多），2臺機之間用伸縮縫分割成2個獨立的結(jié)構(gòu)單元。為了避免在溫度變化時縱向構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生過大的溫度應力，縱向支撐的設置位置宜在每個溫度區(qū)段內(nèi)的中央范圍，但在實際工程中，特別是對于除氧煤倉間縱向結(jié)構(gòu)，由于受到工藝布置限制，柱間支撐常對稱布置或者偏置一邊。

對主廠房橫向來說，一般采用在部分橫向軸系上設置支撐（通常是隔跨布置），通過樓屋面結(jié)構(gòu)，傳遞水平力，形成一個較好的空間抗側(cè)移體系;而在高烈度地震區(qū)可考慮每跨布置橫向垂直支撐。

2.5 抗震措施、多道防線

大型火力發(fā)電廠主廠房，按《建筑工程抗震設防分類標準》為乙類建筑，抗震措施應提高一度采取。

主廠房縱向結(jié)構(gòu)采用鉸接框架加支撐體系，水平力主要靠支撐承擔。縱向垂直支撐的布置應連續(xù)，并與基礎可靠連接，保證縱向水平作用傳至基礎。

主廠房橫向結(jié)構(gòu)一般采用剛接框架，橫向側(cè)移剛度不夠時增設垂直支撐，這些支撐和剛接的框架，起到了多道抗震防線的作用。

2.6 結(jié)構(gòu)計算的主要控制指標

主廠房鋼結(jié)構(gòu)計算的主要指標有強度、穩(wěn)定、撓度、長細比、截面的高厚比、寬厚比、縱橫向側(cè)移剛度（周期、位移）等。

強度計算是鋼結(jié)構(gòu)計算的最重要的內(nèi)容，強度指標的控制水平將直接影響到鋼材的用量。強度控制水平低，富裕度太大，將大大增加鋼材的用量，增加成本;強度控制水平過高，用鋼量減小了，但是，由于計算模型不能完全模擬整個設計周期內(nèi)的實際情況，會降低結(jié)構(gòu)的安全性。基于安全性和經(jīng)濟性的考慮，當構(gòu)件截面為強度控制時，強度應力比宜控制在0.8～0.9，經(jīng)多個工程驗證，是較為合理的。

穩(wěn)定計算是鋼結(jié)構(gòu)計算另一個重要內(nèi)容，特別是柱子及支撐等構(gòu)件，往往是穩(wěn)定控制的。主廠房由于采用H型柱，兩個方向回轉(zhuǎn)半徑差別很大，平面外的穩(wěn)定往往是控制因素，通過在主廠房縱向設置一些連系梁，以減小柱子平面外的計算長度，可以有效減小柱平面外穩(wěn)定應力，取得較好的效果。各層樓屋面的鋼梁，因為有樓板約束，可不進行整體穩(wěn)定計算，只對局部開大孔和無樓板約束的鋼梁進行整體穩(wěn)定核算。根據(jù)我院經(jīng)驗，當構(gòu)件截面為整體穩(wěn)定控制時，穩(wěn)定應力比一般可取0.85-0.95。

撓度計算主要針對縱向框架梁和各層樓屋面鋼次梁。對橫向框架梁來說，由于其兩端剛接，且是主要承重構(gòu)件，一般截面都很大，撓度往往不是控制因素。而縱向框架梁與柱是鉸接，當承受臨近設備、管道傳來的集中荷載時，撓度有可能很大，需引起重視。當梁截面由撓度控制時，撓度控制指標可以適當放松，可取規(guī)范規(guī)定的撓度限值的0.9-1.0倍左右。

長細比、高厚比、寬厚比這些都是構(gòu)造要求，可適當放松，滿足規(guī)范有關要求即可。

主廠房縱橫向抗側(cè)移剛度是結(jié)構(gòu)整體計算的一個重要控制指標，結(jié)構(gòu)布置合理、剛度分布合理的結(jié)構(gòu)整體協(xié)調(diào)性好，抗震性能優(yōu)越。抗側(cè)移剛度的控制指標，一般計算不是以結(jié)構(gòu)的絕對抗側(cè)移剛度來體現(xiàn)，而是通過與剛度相關的周期、位移來體現(xiàn)。

3 結(jié)論、建議

通過以上分析，得到以下主要結(jié)論和建議：

（1）主廠房鋼結(jié)構(gòu)采用橫向剛接、縱向鉸接+支撐體系是適宜的。設計計算中應避免主廠房縱橫向抗側(cè)移剛度相差太大。

（2）主廠房鋼結(jié)構(gòu)的主框架部分宜采用Q345B鋼材，樓面梁等可采用Q235B鋼材。

（3）梁、柱及支撐構(gòu)件一般可采用焊接H形截面;當豎向荷載特別大，或因工藝布置要求，梁、柱截面尺寸受到限制時，可采用箱形截面。

（4）主廠房柱網(wǎng)布置宜采用相等柱距、對齊排列的方式，縱向柱距以9米或10米為宜，橫向跨度的選取應在滿足工藝布置要求的情況下，盡量減小。

汽機房屋蓋體系，可采用屋面鋼梁和鋼屋架，兩種體系各有優(yōu)缺點。

鋼柱柱腳與鋼筋混凝土基礎之間的連接現(xiàn)普遍采用的強軸剛接弱軸鉸接形式是可行的。

（5）支撐的設置要合理。對于主廠房縱向結(jié)構(gòu)，支撐的設置應綜合考慮結(jié)構(gòu)強度、抗側(cè)移剛度及水平和豎向剛度的分布等因素。一般宜設置2到3檔支撐，且宜對稱布置。

對主廠房橫向結(jié)構(gòu)來說，6～7度時，可在部分橫向軸線上設置支撐（通常是隔跨布置），通過樓屋面結(jié)構(gòu)的作用，傳遞水平力，形成一個較好的空間抗側(cè)移體系。8度及以上時，宜每跨布置垂直支撐。

（6）結(jié)構(gòu)計算的主要控制指標應合理。當構(gòu)件截面為強度控制時，強度應力比宜控制在0.8～0.9;當構(gòu)件截面為整體穩(wěn)定控制時，穩(wěn)定應力比一般可取0.85-0.95;當梁截面由撓度控制時，撓度可取規(guī)范規(guī)定的撓度限值的0.9-1.0倍左右;長細比、高厚比、寬厚比這些都是構(gòu)造要求，滿足規(guī)范要求即可。

參考文獻：

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（作者單位：西南電力設計院有限公司）