隔壓換熱站鋼結構廠房的分析及設計

宋照樺，仝興俊

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300000）

0 引言

自20 世紀六七十年代開始，國外建筑鋼結構材料發展有了非常大的技術突破，包括像H 型鋼、單層或雙層壓型鋼板、薄壁型鋼及冷彎型鋼等一批鋼結構材料的出現，極大地推進了鋼結構建筑的發展，尤其是輕型鋼結構；我國雖然從20 世紀五六十年代開始就已經在部分地區進行了冷彎型鋼的試驗研究和使用試點，但從整體上來說，與之相關的發展還是比較緩慢的[1]。從20 世紀80 年代開始，輕型屋面鋼結構體系隨著國際鋼結構產業的發展浪潮和提升鋼材自身防腐蝕涂料、防火涂料的不斷研發和出現，國內的相關鋼結構企業不斷引進國際的先進技術，從而使相關產業工業化程度不斷提高，生產成本快速降低，具備了推廣鋼結構的有利條件。門式剛架具備平面布置靈活、跨越能力強、施工作業方便快捷、外立面簡潔美觀、成本低性價比高等特點[2-3]，逐漸成為國內大跨度廠房的首選結構形式。隔壓換熱站由于其內部功能比較復雜，有很長的設備管溝、大量設備支架及設備基礎，因而其廠房跨度都比較大，在這種情況下熱力場站工程都會首選性價比高的門式剛架結構。本文將會以實際完成的工程為背景，系統地研究和討論隔壓換熱站工程的結構設計，包括結構建模建立，荷載取值、節點詳細構造、設備和管溝的平面布置等問題，其討論分析和相關闡述能為類似工程提供一定的借鑒。

1 項目概況

鄭州航空港區某隔壓站項目，廠區內主要由隔壓換熱站及110KV 變配電間、調度中心樓、檢維修車間、綜合水泵房等部分組成，其效果圖如圖1 所示。其中隔壓換熱站及110KV 變配電間是站內最主要的生產廠房，該廠房采用了輕型門式剛架的結構形式，結構檐口高度為15.0m，女兒墻高度1.5m，變配電間位置結構檐口高度為6m，女兒墻高度0.9m；廠房總寬度為69m，長度為84m，跨度為三跨，間距不等，其中最大跨度為36m，整體為高低不等跨門式剛架體系，結構布置圖如圖2 所示。廠房內部設置兩臺吊車，吊車噸位分別為20t 和15t，地面布置總長度約400m 的設備管溝，管溝深度為4.2m。地面除了設備管溝外，就是大量與工藝設備有關的設備基礎和管道相關的支架，在地面基礎的布置過程中，經常會出現設備基礎、支架基礎、廠房鋼結構柱基礎和管溝基礎相碰撞的問題，需要逐個分析基礎位置和計算方法。

圖1 廠區建筑效果圖

圖2 結構平面布置圖

2 模型的建立和計算

2.1 截面布置及邊界條件

結構整體分析和設計時采用了PKPM 軟件，主要使用了其中STS 模塊進行平面建模，之后采用SATWE 進行結構計算。鋼結構柱子采用了等截面H 型鋼，主要是因為有吊車的原因，一般情況下沒有吊車布置時采用變截面H 型鋼柱，這樣能節省工程造價，該工程中由于有兩臺重型吊車，因而建模時采用了等截面的H 型鋼，且柱截面應設計得相對大一點，保證其在吊車運行過程中具有足夠的剛度，減少廠房由于吊車引起的振動；大跨度的鋼梁采用了直線布置的形式，相鄰鋼柱之間鋼梁的連線基本能保證通過其截面的形式，通過這種非跨變結構的布置方式，能夠保證鋼梁在豎向荷載的作用下其內的軸力會比較小，可以有效地避免產生過大的水平力作用[6]。由于是門式剛架體系，因而梁柱節點采用剛接節點，有些隔壓站換熱站廠房也會使用混凝土柱輕型鋼結構屋面的布置形式，此時應注意混凝土柱與鋼梁之間采用鉸接節點的情況比較多，當然也有特殊情況會采用混凝土柱與鋼梁剛接或半剛接節點；一般的輕型門式剛架結構的鋼柱底部與基礎的連接采用了會采用鉸接節點，根據不同的跨度采用雙螺栓或者四個螺栓，但是本工程由于有重型吊車的存在，根據《門式剛架輕型房屋鋼結構設計技術規程》[4]的相關要求，柱底部與基礎的連接采用了剛接節點。梁柱布置圖如圖3 所示。

圖3 梁柱布置圖

2.2 荷載取值

輕型門剛架的跨度比較大，這一特點決定了整個結構體系相對是比較脆弱的，且通常門式剛架的基礎節點是鉸接的，因而結構的冗余度是比較少的，安全儲備稍顯不足。本工程設計荷載的取值主要是根據《建筑結構荷載規范》[5]，同時也根據本人多年的鋼結構設計經驗，設計荷載取值如下：屋面恒荷載根據建筑要求采用的是帶保溫的雙層壓型鋼板，經過材料的自重計算此荷載取值為0.35kN/m2，該荷載考慮了屋面檁條和拉條的自重，但是沒有考慮鋼梁上會懸掛電氣專業相關的吊燈和給排水專業布置的消防噴淋等荷載，因而綜合考慮恒荷載取值定為0.50kN/m2，本項目屋面根據業主要求需要布置太陽能光伏板，根據設備廠家提供資料和設計光伏支架的經驗，按照均布荷載0.15kN/m2考慮，因而屋面最終的恒荷載為0.65kN/m2，該荷載參與結構整體計算，包括鋼梁，鋼柱、屋面檁條的計算；屋面活荷載的取值根據《建筑結構荷載規范》的要求，不上人屋面取值為0.50kN/m2，但是《建筑結構荷載規范》的條文解釋和《門式剛架輕型房屋鋼結構設計技術規程》都對輕鋼屋面的活荷載進行了補充說明，當屋面受荷面積大于60m2時，允許屋面活荷載取值減小，但不應小于0.30kN/m2，本工程根據規范要求活荷載取值為0.30kN/m2，但是檁條計算時還是要按照0.50kN/m2取值，這點是應該注意的。

雪荷載的取值對輕鋼結構屋面是非常重要的，這是因為輕鋼結構屋面對于風荷載和雪荷載是非常敏感的，取值的差別對結構的安全會造成非常大的影響。尤其是近些年來極端天氣的不斷增多，經常會發生鋼結構廠房被大雪壓塌的事件發生，造成這種破壞的原因一方面是由于不可抗力因素，但另一方面也有設計師對風雪荷載的取值沒有理解到位，從而導致了事故的發生。影響雪荷載數值的主要是兩個參數，一個是雪荷載的標準取值，另一個就是雪荷載的分布系數。首先對于雪荷載的標準取值，通常情況下是按照50 年一遇的情況取值，但對于雪荷載敏感的結構，在《建筑結構荷載規范》中提出可以提高雪荷載的標準值，在《門式剛架輕型房屋鋼結構設計技術規程》中明確了對于輕鋼屋面門式剛架結構屋面雪荷載應按照100 年一遇取值，因而在這里，根據該地區100 年一遇的荷載取值為0.45kN/m2；對于雪荷載分布系數，不同的屋面形式雪荷載的分布系數是不一樣的，這就要設計師對于屋面的雪荷載分布系數非常熟悉，能夠在前期和建筑商量方案時就把雪荷載的影響控制到最小，本項目是一個高低跨結構，屋面雪荷載分布系數是比較復雜的，在《門式剛架輕型房屋鋼結構設計技術規程》中相關雪荷載分布系數中沒有找到對應的形式，因而采用了《建筑結構荷載規范》中的高低跨屋面雪荷載分布系數，同時考慮女兒墻對邊部積雪荷載的影響，綜上可以保證在雪荷載工況下本工程結構設計的安全性。

風荷載的取值原則和雪荷載的取值原則有相同的地方，但同時也有比較大的不同，主要是風荷載的計算中有一個重要的參數，那就是風荷載體型系數，它是指風作用在建筑物表面一定面積范圍內，所引起的平均壓力（或吸力），與來流風的速度壓力的比值，這一系數主要與建筑物的體型和尺度有關，也與周圍的環境和地面粗糙度有關。目前在我國的現行規范中，能指導門式剛架結構的風荷載體型系數取值的主要是《建筑結構荷載規范》和《門式剛架輕型房屋鋼結構設計技術規程》這兩本規范，對于一些常見的屋面形式，在兩本規范中都能找到相應的體型系數，但是兩個體型系數取值一般都會有所差別，同時一些復雜的屋面形式在《門式剛架輕型房屋鋼結構設計技術規程》有時候是找不到的，這時候就要參考《建筑結構荷載規范》里邊的類似形式，同樣的情況有時候也會反過來，這就造成了設計中對于風荷載體型系數取值的混亂，確實也是一個比較麻煩的問題。造成這種局面其實是因為體型系數是針對“非低矮房屋”，而《門式剛架輕型房屋鋼結構設計技術規程》這本設計規范所考慮的體型系數是“低矮房屋”[7]，關于“非低矮房屋”和“低矮房屋”的區別，在國內的規范中沒有找到特別明確的定義，這里參考一下美國的結構設計規范，美國的結構設計規范對于低矮房屋作出了三點定義：（1）結構屋面的平均高度≤18m；（2）房屋檐口的高度與建筑平面最小尺寸的比值≤1；（3）房屋的平均高度與平均寬度的比值≤1。體型系數都是通過風洞試驗測得，如非低矮房屋是通過航空風洞反映平穩流的影響作用，而低矮房屋則是通過邊界層風洞反映湍流的影響作用[6]。除了以上分析兩本規范有關體型系數的不同外，還有一點是《建筑結構荷載規范》風荷載計算公式中還要單獨考慮陣風系數，而《門式剛架輕型房屋鋼結構設計技術規程》中沒有單獨考慮陣風系數，這是因為后者在體型系數中已經考慮陣風效應，而前者規定的體型系數則沒有考慮陣風效應，這點在設計中要注意使用不同規范時進行相關換算。針對本工程由于屋面形式比較復雜，在《門式剛架輕型房屋鋼結構設計技術規程》中并沒有對應的體型系數，因而參考的是《建筑結構荷載規范》，建模時單獨輸入了各個位置的體型系數，注意了以上的相關問題，輸入的體型系數相對比較準確。風荷載的標準值采用的是50 年一遇，這是與雪荷載不同的地方，該地區50 年一遇的荷載取值為0.45kN/m2。

2.3 模型計算

梁柱布置和相關荷載確定后，就可以進行結構設計的相關計算，在PKPM 中要定義好相關參數，這里邊涉及門式剛架中鋼梁的計算，通常鋼梁的承載能力是按照受彎構件考慮的，但是對于平面內的穩定性，應按照壓彎構件進行驗算。定義好相關參數后，要對結構計算簡圖進行檢查，保證輸入的準確性，點擊計算后要對軟件計算的結果應進行復核，通常控制相關應力系數在0.9 范圍內，同時還要注意構件是否滿足正常使用狀態下的變形驗算，應力計算結果和撓度計算如圖4、5 所示。

圖4 應力計算結果

圖5 撓度計算結果

3 關鍵構造和基礎設計

3.1 檁條和拉條構造設計

《門式剛架輕型房屋鋼結構技術規程》中墻面和屋面的設計章節中對檁條在何種條件下應設置拉條和怎么設置拉條作出了詳細的規定：對于屋面和墻面的檁條跨度大于4m 時應設置拉條，當大于4m 而小于6m 時設置一根拉條，當不小于6m 而不大于9m 時設置兩根拉條。通常情況下檁條的跨度很少會大于9m，針對拉條布置根數規范已經明確了，但是對于拉條設置在檁條高度的哪個位置卻沒有明確規定。根據本人之前鋼結構設計經驗，一般在恒荷載、活荷載作用下檁條主要是下部受彎而上部受壓時，拉條一般靠近檁條上部三分之一位置，如圖6a 所示，但是若是屋面板能保證檁條上翼緣的穩定，則拉條的布置位置就無關緊要了；當各種工況作用下，存在風吸力為控制工況，此時檁條是下部受壓而上部受拉，拉條應靠近下部三分之一位置布置，如圖6b 所示；但是隨著現在施工速度及施工便捷性的提高，大部分屋面板不再采用直接固定的方式，在設計中要充分考慮到這一變化，對于邊界條件的選取要慎重，尤其是屋面板能否保證檁條上翼緣的穩定，當無法滿足時，通過計算大部分情況下可能上、下翼緣的穩定都需要拉條起作用，此時在設計就要采用雙層檁條，即檁條的上下三分之一位置都應設置拉條，如圖6d 所示，本工程中大部分就是采用了雙層拉條的布置形式，確保檁條在各種工況下都能保證穩定性；圖6c 所示的是之前常用的設計形式，對上下檁條的穩定性都有一定的作用，但是對于現在廠房屋面荷載復雜的工況來說已經不能起到很好的保證檁條穩定的作用，現有工程中使用此種拉條的布置形式已經越來越少了。

圖6 檁條上拉條布置圖

3.2 基礎設計

本工程中地面上基礎類別較多，有廠房鋼柱的獨立基礎和條形基礎，設備管溝底部的筏板基礎，工藝設備的基礎和管道支架的基礎，這些基礎在地面上不可避免地會出現交叉，這時就需要結構設計師通過概念設計和局部計算制定相關的基礎設計原則，本人在設計過程中主要通過以下幾個原則進行設計：（1）廠房鋼柱基礎埋深與管溝基礎持平，保證管溝基礎不影響鋼柱的基礎；（2）管溝基礎與鋼柱獨立基礎發生交叉時，鋼柱基礎落到筏板基礎上，局部計算管溝筏板基礎，保證基礎的承載受力和地基變形滿足規范要求；（3）設備基礎和管道支架基礎盡量避讓，與工藝專業協商盡量保證基礎錯開布置，無法回避時考慮做成聯合基礎，同時應局部計算基礎參數滿足規范要求；（4）設備基礎和管道支架基礎埋深較淺，一般都高于鋼柱基礎和管溝基礎底部，且下部基礎都在上部基礎基地壓力的影響范圍，因而在計算中要適當考慮上部基礎的荷載對下部基礎的影響，保證鋼柱基礎和管溝基礎有足夠的富余量。

4 結論

隔壓換熱站結構形式采用輕型屋面門式剛架結構能保證具有大跨度的可操作性的同時又兼具很好的經濟性，但在設計過程中應著重注意以下幾點問題：（1）由于輕型鋼結構屋面對荷載比較敏感，因而設計該類結構過程中要重點注意荷載取值的問題，要盡量減少屋面的恒荷載；（2）通過屋面造型布置減小風荷載和雪荷載對結構的影響；（3）重視鋼結構節點設計，對于重要的節點和構造應加強復核，必要時要用不同的結構設計軟件進行比較計算；（4）鋼梁和檁條這樣的水平構件的撓度計算應滿足規范要求，保證其滿足廠房正常使用的要求；（5）設備基礎、管溝、支架等構筑物應考慮其對建筑物基礎的不利影響，保證整體結構設計的安全儲備。