大跨度焚燒廠房屋頂結構形式研究與實踐

朱占東

（北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082）

1 引言

近年來，全國陸續建設干化焚燒項目，因生產工藝要求，生產設備間的結構布局要滿足設備安裝的要求，廠房的跨度一般比較大。廠房主體結構可以選用鋼結構也可以選用混凝土框架或框排架結構，屋頂形式根據設計要求的不同有不同的選型方案。本文以鹽城市市區污泥集中處置項目和焦作隆豐皮草企業有限公司固體廢物綜合處置與資源化利用項目為背景，對干化焚燒項目大跨度廠房的屋頂結構形式的選型進行研究。

2 工程概況與廠區條件

鹽城市市區污泥項目位于鹽城市靜脈產業園內，處理對象為鹽城市市區污水處理廠等產生的脫水污泥，建設2 條處理生產線。項目場地位于低洼平原地貌單元，場區附近無活動性斷裂通過，場地與地基屬于相對穩定區，抗震設防烈度為7度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度值為0.1g；建筑場地類別為Ⅲ類，場地特征周期為0.69 s（按插值法取）；主廠房采用獨立柱基基礎和預應力混凝土管樁基礎。主要結構形式為混凝土框排架結構（2 層、3 層局部為框架結構）。污泥焚燒車間和污泥接收干化車間設置變形縫。

焦作隆豐皮草企業有限公司固體廢物綜合處置與資源化利用項目場地地形開闊、平坦，無軟弱土層分布，地貌單元屬黃河丘陵地區的下部，建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.40 s，抗震設防烈度為7 度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度值為0.1g，水平地震影響系數最大值為0.08。抗震設防類別為標準設防類（丙類）。框架結構抗震等級為三級。地基基礎設計等級為丙級。主廠房也同樣采用獨立柱基礎和預應力混凝土管樁基礎。

兩個項目的工藝流程不完全相同，主體結構形式都是混凝土框排架結構，本文主要針對兩個項目的屋頂結構形式進行不同方案的研究。

3 廠房結構形式及屋頂形式研究

鹽城市市區污泥項目污泥焚燒車間，長度為78 m，寬度為36 m，建筑高度23 m，地上建筑面積4 994.1 m2，結構形式采用混凝土框排架結構。焚燒車間設計為兩條生產線，目前利用H-L 軸15 m 寬度建設第一條生產線，F-H 軸為兩條生產線共用的6 m 寬通道。C-F 區域為二期生產線預留區域。本工程主體廠房一次建設完成，目前一期工藝設備已安裝完成并投運，預留二期生產線位置。

焦作隆豐皮草企業有限公司固體廢物綜合處置項目干化焚燒車間長度為130.8 m，寬度為51 m，分3 個車間，從北向南分別為附機車間、焚燒車間和干化車間。其中，干化車間建筑高度14.9 m，長度為24 m，寬度為51 m，抗震設防類別為丙類，結構形式為框排架結構；焚燒車間建筑高度23 m，長度為90 m，寬度為51 m，建筑面積4 994.1 m2，結構形式采用混凝土框排架結構。

焦作隆豐皮草企業有限公司固體廢物綜合處置與資源化利用項目中皮革廢料預處理車間長度為106.9 m，分為兩個車間，其中，干物料處理車間長度為61 m，寬度為36 m，結構形式采用混凝土框排架結構；半干物料處理車間長度為45 m，寬度為36 m，結構形式采用混凝土框排架結構。

4 屋頂設計方案研究

針對鹽城項目污泥焚燒車間頂部屋面具有跨度大、高度高，且存在設備安裝與屋面土建交叉作業的特點，本項目設計時綜合研究了兩種不同的結構方案。

方案一，按照常規做法，在跨中增加一排結構柱，結構柱之間采用變截面鋼梁+水平支撐連接，屋面采用輕鋼屋面方案。此方案為常規做法，技術成熟。通過框架柱減小整個屋面的跨度，同時將一期與二期的屋頂結構分開，一期生產工藝建設完成后待二期施工時對一期設備運行影響較小。缺點：增加了中間混凝土柱和柱下混凝土預制樁基的工程量；中間框架柱的存在影響檢修通道車輛通行。

方案二，為保證檢修通道的正常通行，取消跨中結構柱，直接采用整體網架結構和輕鋼屋面結構。此方案也能滿足結構受力及穩定安全的要求，且內部空間無遮擋，整體美觀簡潔，同時可以節省中間結構柱和混凝土預制樁基的工程量。缺點是二期設備安裝時，設備基礎的樁基施工及設備安裝空間受限。若采用拆除現有輕鋼屋面進行二期設備安裝，有可能影響一期設備運行。

工程量對比，通過盈建科軟件在結構各項指標都滿足規范的前提下開展工程量對比，兩個方案的計算模型如圖1、圖2 所示，工程量對比見表1。

表1 兩種方案工程量對比

圖1 方案一的計算模型

圖2 方案二的計算模型

通過比較，在用鋼量方面，兩個方案的用鋼量基本相同，而方案一比方案二多出了13 根混凝土框架柱的工程量和36 根樁基工程量，從工程成本控制角度，方案二更有利于成本控制。

從施工技術上，方案二對于二期設備安裝的問題，有限空間內的預支混凝土樁基施工及設備安裝可以通過其他措施實現。

通過研究，輕鋼結構和網架結構有以下結構特點：輕鋼結構是一種平面受力體系，一般由柱、梁、桁架、雨棚等組成；副結構由拉桿、斜撐等組成；附屬材料包括基礎螺栓、高強螺栓、槽鋼等[1]。網架結構是一種空間整體受力的結構形式，桿件間通過螺栓球進行應力傳遞，桿件本身不受彎矩及剪力左右。網架有多種結構形式，按網格組成分類，有交叉桁架體系、四角錐體系、三角錐體系、曲面網架體系和其他異形體系等。

在鹽城污泥項目中，變截面鋼梁+輕鋼屋面結構和網架結構兩種方案都能滿足技術的要求，從工程成本控制角度考慮，網架結構能夠使整個主廠房的工程量比輕鋼屋面結構的工程量要少，更有利于項目的總成本控制[2]。在主體框架柱高度不變的情況下，網架結構頂部空間富裕，對于工藝系統局部設備高度高于框架柱高度的情況比較有利，結合工程的生產工藝條件，安裝設備較多，且設備高度不一致，局部設備高度較高的情況，可利用網架桿件之間的空隙進行安裝，選擇網架結構更有利于工藝設備安裝。最終，本項目焚燒車間廠房屋頂選用了螺栓球網架形式[3]。

在鹽城污泥項目中，主要對鋼梁形式的輕鋼屋面和網架結構屋面進行了研究和實踐，在焦作隆豐項目，同樣遇到了大跨度廠房屋面結構的選型問題。

焦作隆豐皮草企業有限公司固體廢物綜合處置與資源化利用工程，主車間屋面跨度為18～27 m，同樣存在大跨度屋面問題。主體結構采用鋼筋混凝土框排架結構形式，屋面可采用輕鋼結構、網架結構，預制混凝土板形式；但由于本項目工藝系統生產過程產生腐蝕性較強的氣體和污水，鋼結構需要有很強的防腐蝕措施，經過研究對比，在本項目屋頂形式上考慮采用預制混凝土雙T 板，針對這3 種形式進行對比研究分析，詳見表2。

表2 3 種結構形式的優缺點對比

通過對比可以看到，屋面鋼梁和屋面網架兩個結構形式，用鋼量基本持平，網架形式節點用鋼量較大，加工制作費用較高。現場吊裝安裝也比較復雜，但網架形式在空間上能預留更多的高度空間，更有利于設備安裝。

從結構穩定性和安全性的角度，3 種方案都能滿足現行規范要求。對于輕鋼結構和網架結構通過鹽城項目比較，兩種方案的優缺點一目了然。在隆豐固體廢物處置項目中，重點研究了網架結構和預制混凝土雙T 板的方案。

技術可行性：網架結構和預制混凝土雙T 板都能滿足要求；

工期方面：通過周密的工期進度計劃，可以在工廠提前預制混凝土雙T 板，兩種方案的工期無明顯區別；

工程成本控制方面：預制混凝土雙T 板的成本比網架結構的成本有明顯優勢；

其他方面：預制混凝土雙T 板在承載力和耐腐蝕性方面也比網架結構要強。

由于項目生產工藝要求，生產過程產生的廢水和氣體有很強的腐蝕性，由于網架結構桿體復雜桿件多且多為管狀構件，所以，對于網架結構的防腐維護工作來說，維護工程量大，費用高；雙T 板屋面承載力強，施工方便，耐腐蝕性好。綜合考慮技術和造價兩方面原因，最終屋面設計方案確定為雙T 板形式。

5 結論

本文對鹽城污泥處置項目和隆豐皮草固體廢物綜合處置項目的兩個焚燒廠房屋頂形式進行研究，可以看出，輕鋼結構、網架結構、預支混凝土板結構都可以滿足大跨度廠家屋頂結構穩定要求，但不同方案在不同的適用性方面各有優缺點。無論哪種結構形式，除了滿足結構安全的技術要求，還應滿足工藝技術要求。從外觀來看，輕鋼結構和網架結構整體性較好，較美觀；從承載力角度，預支混凝土板承載力更強。輕鋼結構和網架形式屋頂承載力要求較低。從防腐維護工作來看，預支混凝土板也比輕鋼結構和網架結構有優勢。網架結構是一種空間結構，比輕鋼結構更能節省廠房內空間，但施工吊裝較復雜。通過對兩個焚燒項目廠房屋頂形式的研究，可以為其他廠房項目屋頂形式的確定提供參考。