某發(fā)電廠新建工程汽機房屋面結(jié)構(gòu)設(shè)計

王衛(wèi)紅

摘要：對主廠房汽機房五種屋面形式進行了分析比較，本著“安全、經(jīng)濟、適用、美觀”的原則，結(jié)合本工程情況推薦屋面形式采用復合（保溫）壓型鋼板輕型屋面。并對三種屋架結(jié)構(gòu)體系——梯形鋼屋架、實腹鋼梁、空間倒三角鋼管桁架進行了技術(shù)經(jīng)濟比較，推薦空間倒三角鋼管桁架有檁體系，與梯形鋼屋架和實腹鋼梁相比節(jié)省鋼材分別為22%和24%，節(jié)省投資分別為50.4和57.4萬元。

關(guān)鍵詞：汽機房;屋面結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)選型

1 汽機房屋面材料選型

汽機房屋面形式目前多采用五種形式：A：復合（保溫）壓型鋼板輕型屋面;B：壓型鋼板底模現(xiàn)澆混凝土板加卷材防水屋面;C：壓型鋼板底模+輕質(zhì)陶?；炷连F(xiàn)澆屋面;D：大型預(yù)制混凝土板加卷材防水屋面;E：大型預(yù)制輕型混凝土板卷材防水屋面。

通過對比，壓型鋼板底?，F(xiàn)澆混凝土板加卷材防水屋面由于其自重過大使得屋架、柱的截面均需加大，主廠房整體結(jié)構(gòu)的地震荷載也增大很多，對結(jié)構(gòu)抗震不利。另外壓型鋼板底模現(xiàn)澆混凝土板加卷材防水屋面施工復雜，受天氣等外部條件影響大，且須另作保溫、防水層。

復合壓型鋼板輕型屋面的方案，是目前世界通行的輕型屋面材料，復合壓型鋼板可以達到屋面板結(jié)構(gòu)強度與建筑保溫、防水的統(tǒng)一，是一種先進的屋面板形式。以某中外合資公司的產(chǎn)品為例，不褪色的保質(zhì)期達20年，而不發(fā)生銹蝕，保質(zhì)期超過50年，屋面板耐久性能卓越、自重較輕等優(yōu)勢，所以該產(chǎn)品在發(fā)電廠建筑中有廣泛的應(yīng)用。由我院設(shè)計的分宜電廠二期、三期和貴溪電廠二期等很多工程均得到了成功應(yīng)用。本工程推薦屋面復合壓型鋼板輕型屋面的方案。

2汽機房屋蓋結(jié)構(gòu)選型與分析

在工業(yè)建筑中， 尤其在火電廠汽機房屋蓋中， 因受到多種因素的限制，目前火力發(fā)電廠汽機房屋面結(jié)構(gòu)型式主要有網(wǎng)架、鋼屋架、實腹鋼梁以及我院結(jié)合工程設(shè)計經(jīng)驗研究的空間倒三角鋼管桁架。

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)則由于施工質(zhì)量不太容易保證，制造、安裝比較混亂，常常產(chǎn)生一些不可控因素，造成事故隱患;所以本文不考慮這種結(jié)構(gòu)方式，僅對鋼屋架、實腹鋼梁和空間倒三角鋼管桁架三種結(jié)構(gòu)方案作技術(shù)經(jīng)濟比較。

2.1 鋼屋架（桁架）結(jié)構(gòu)

鋼屋架（桁架）為常用的屋蓋結(jié)構(gòu)型式，在國內(nèi)工業(yè)建筑，尤其是火電廠主廠房屋架中有著廣泛的應(yīng)用。從受力性能上，也是一種空間結(jié)構(gòu)，只不過為了計算方便，設(shè)計計算時，簡化為平面結(jié)構(gòu)模型進行計算。它可根據(jù)建筑要求設(shè)計成單坡或雙坡形式。該結(jié)構(gòu)為靜定結(jié)構(gòu)，受力明確，平面內(nèi)剛度大，結(jié)構(gòu)可靠。在豎向荷載作用下不產(chǎn)生水平推力。一般上鋪壓型鋼板底?，F(xiàn)澆混凝土板，或上鋪復合壓型鋼板保溫輕型屋面板。鋼屋架為滿足平面外穩(wěn)定及傳遞水平荷載的要求，在上、下弦均應(yīng)設(shè)置縱、橫向水平支撐，還需按要求設(shè)置縱向垂直支撐。鋼構(gòu)件施工制作麻煩，節(jié)點多，焊接工作量大，桿件規(guī)格的品種多，施工吊裝時側(cè)向剛度弱，有時需另外設(shè)置臨時支撐系統(tǒng)。

因為鋼屋架屋面承載力大，設(shè)計、施工經(jīng)驗豐富，所有鋼屋架從技術(shù)上分析是可行的，應(yīng)用也比較廣泛。

2.2 實腹鋼梁屋面結(jié)構(gòu)

隨著焊接變截面工字鋼的廣泛使用，這種結(jié)構(gòu)形式也被普便應(yīng)用（它具有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、傳力明確、拼接方便，加工、焊接工作量小，焊接鋼梁根據(jù)梁截面彎距包絡(luò)圖的形狀大小，將鋼屋架設(shè)計成變截面的形式，以節(jié)省鋼材。在屋脊處的拼接，常用高強螺栓加焊縫的混合連接，節(jié)點安全可靠。在同樣的屋內(nèi)凈空要求下，屋面標高可大大小于屋架結(jié)構(gòu)。

一般認為跨度超過一定數(shù)值，實腹鋼梁結(jié)構(gòu)在技術(shù)上和經(jīng)濟性上，都有一定的缺點。為滿足承載力及正常使用的要求，一般截面比較高，自重大，經(jīng)濟性較差。汽機房屋面采用實腹鋼梁時，由于實腹鋼梁平面外穩(wěn)定性較差，尚需設(shè)置支撐系統(tǒng)來傳遞水平力。為了承擔上部豎向荷載尚需額外設(shè)置檁條，從而要比管桁架在支撐系統(tǒng)上浪費材料。

實腹鋼梁與柱頂?shù)倪B接，一般采用固接和鉸接兩種節(jié)點方案。固接方案，鋼梁與柱變形協(xié)調(diào)，可適當減少梁跨中彎距設(shè)計值，但柱端產(chǎn)生的彎矩較大，該做法節(jié)點構(gòu)造復雜，施工麻煩。對不均勻沉降及溫度應(yīng)力、安裝應(yīng)力較敏感。鉸接方案，結(jié)構(gòu)受力明確，計算簡便可靠。節(jié)點構(gòu)造簡單，施工方便。對溫度應(yīng)力不敏感，不均勻沉降對該結(jié)構(gòu)類型不產(chǎn)生應(yīng)力。對比兩種節(jié)點連接方式，并結(jié)合多種因素考慮，采用鉸接方案較為合理。

下面我們建一單榀實腹鋼梁屋架，按兩端鉸接情況進行設(shè)計，各項指標統(tǒng)計情況見表1（撓度允許值為L/400=26700/400=65.75mm）。

對上表進行分析可以看出：實腹鋼梁往往是撓度起控制作用，不能充分利用強度。設(shè)計時我們選用Q235B鋼材即可。

2.3 空間倒三角鋼管桁架屋面結(jié)構(gòu)

空間倒三角鋼管桁架的使用，完全解決了平面桁架在加工制作、安裝起吊過程中平面外剛度差和平面外撓曲等問題，其運輸安裝費用比其它桁架低，維護費用明顯低于桁架。另外由于其頂面的寬度，大大減少了檁條的計算跨度，節(jié)省用鋼量、減輕重量。

管結(jié)構(gòu)的另外一個優(yōu)點在于它不但可以實現(xiàn)管與管之間的直接連接，也可以和其它截面的直接連接，發(fā)揮其各自的特長。焊接工作量比普通型鋼桁架減少50%～60%，但節(jié)點的連接設(shè)計施工是較復雜的，節(jié)點采用相貫連接，相貫線切割是難度較高的制造工藝，因為交匯鋼管的數(shù)量、角度、直徑的不同使得相貫線形狀各異，而且坡口處理困難。但隨著多維數(shù)控切割技術(shù)的發(fā)展，這些難點已被克服。

選用空間倒三角鋼管桁架，與平面桁架結(jié)構(gòu)相比，平面外剛度大，提供了側(cè)向穩(wěn)定性和抗扭轉(zhuǎn)剛度，增加屋面的整體剛度，并減少側(cè)向支撐構(gòu)件;此外桁架桿件主要承受軸向荷載而管截面受壓時鋼材利用效率最高，管截面桁架比其它非管截面桁架要輕。

通過對比，雙坡屋面比單坡屋面更能充分利用桿件的強度，節(jié)省鋼材，本文中我們只考慮采用雙坡屋面。要實現(xiàn)雙坡管桁架立面形狀有兩種作法：一種為梭形倒三角管桁架，另一種為平行弦倒三角管桁架。

我們先從這兩種形式管桁架中挑出最優(yōu)方案，再與其余型式的屋架進行對比。

（一）梭形倒三角管桁架夾角的變化對結(jié)果的影響：

建立兩個模型，兩腹桿平面夾角分別為45度與60度，計算結(jié)果如下（撓度允許值為L/400=26300/400=65.75mm）：

對比如上結(jié)果可以看出：夾角變化對上下弦桿內(nèi)力沒有影響，僅是腹桿稍有變化，夾角變小，腹桿應(yīng)力會小一些。從而選擇45度角梭形屋架則會更為合理。但是角度不能太小，因為角度太小，上弦間距就會太小，這樣就體現(xiàn)不出管桁架的平面外剛度大的優(yōu)勢，建議不能小于45度角。

（二）梭形倒三角管桁架與平行上弦倒三角管桁架比較：

基于上一條的結(jié)論，上下弦受力基本一致，角度越小腹桿受力越小，我們在進行對比時，選取平行弦上弦間距為2100，這樣平行弦倒三角管桁架所有腹桿夾角均在45度附近。（撓度允許值為L/400=26700/400=65.75mm）

對比上表結(jié)果，平行弦屋架與45度角梭形管桁架所有桿件強度基本一致，但是撓度卻相差甚多。

綜合以上分析可以得出結(jié)論：45度角梭形倒三角管桁架為最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式。

另附上針對本工程用STAAD PRO空間軟件計算出的倒三角形空間管桁架模型的應(yīng)力圖及位移圖分別見圖1、圖2。

2.4 ?三種屋面結(jié)構(gòu)體系技術(shù)經(jīng)濟比較見表4、表5。

從上表分析可以看出，梯形鋼屋架有檁體系及實腹鋼梁有檁體系用鋼量相當，而空間倒三角鋼管桁架有檁體系比以上二者少出約22%的用鋼量;其中由于檁條計算跨度變小檁條用鋼量減少10%左右，加上空間倒三角鋼管桁架支撐系統(tǒng)主要是垂直支撐以及少量的水平支撐，所以可以節(jié)省大量鋼材。另外，管桁架與網(wǎng)架相比，網(wǎng)架單位投影面積用鋼量為38kg/m，總造價為156.6萬元，兩者造價相差不大，加之網(wǎng)架結(jié)構(gòu)存在施工質(zhì)量不太容易保證，制造、安裝比較混亂，常常產(chǎn)生一些不可控因素，造成事故隱患等缺點。綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟兩方面，空間倒三角鋼管桁架具有很強的綜合優(yōu)勢。

3?結(jié)論

綜上所述，對于屋面的材料選型，復合壓型鋼板輕型屋面可以實現(xiàn)屋面板結(jié)構(gòu)強度與建筑保溫、防水的統(tǒng)一，屋面板具有耐久性能卓越、自重較輕等優(yōu)勢。

對于屋蓋結(jié)構(gòu)形式，從設(shè)計、施工、造價等技術(shù)經(jīng)濟比較可知，空間管結(jié)構(gòu)桁架有檁體系具有結(jié)構(gòu)合理、自重輕、防腐蝕性能好、安裝方便等優(yōu)勢;另外也進行了建筑效果的優(yōu)化，屋面通風系統(tǒng)放在屋架上使得廠房屋面簡潔、美觀、通透。

因此，本工程汽機房屋蓋推薦采用復合（保溫）壓型鋼板輕型屋面+空間倒三角鋼管桁架有檁體系加支撐屋面結(jié)構(gòu)型式。

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，空間倒三角鋼管桁架已應(yīng)用于許多領(lǐng)域，比如大型的體育館、飛機場的航站樓、火車站候車廳等。