燃機房屋面桁架簡化模型計算比較

王勇強，陳靜，吳建平

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院工程有限公司，北京市，100120)

0 引言

燃氣－蒸汽聯產機組燃機房一般具有柱距大、屋面跨度大的特點。對于燃機房屋架結構的設計，傳統的教材和設計手冊都將屋架簡化為兩端鉸接的鋼桁架進行簡化計算［1-3］，而沒有考慮屋架支承結構和屋面混凝土板的影響［4-5］。本文基于某燃機房屋面結構不同計算簡化模型的計算結果的比較，分析了各種計算簡化模型對燃機房屋面桁架結構設計的影響。

1 計算簡化模型

某大型燃氣－蒸汽聯產機組燃機房AB列均采用雙肢柱，屋架結構采用空間三角拱形管桁架，現澆輕骨料混凝土屋面。選取典型跨橫向排架進行結構分析，燃機房跨度為44m，空間三角拱形管桁架矢高為4m，燃機房柱距為12m，屋面輕骨料混凝土強度等級為LC25。

1.1 屋面桁架與燃機房排架聯算整體模型

考慮燃機房整體結構的影響，將空間三角拱形桁架與燃機房排架結構進行整體聯算，為簡化模型1。該模型既考慮了燃機房整體和屋面剛度的影響，又考慮了雙肢柱柱頂位移對桁架的影響，較接近屋面桁架的實際狀況。計算模型簡圖見圖1。

1.2 屋面桁架與燃機房聯算單榀模型

忽略燃機房整體結構的影響，僅考慮燃機房單榀排架的影響，將空間三角拱形桁架與燃機房排架結構進行單榀模型聯算，為簡化模型2。該模型考慮雙肢柱柱頂位移對桁架的影響，而沒有考慮屋面板和燃機房結構整體剛度對桁架的影響。計算模型簡圖見圖2。

1.3 屋面桁架單獨計算整體模型(兩端鉸接)

不考慮燃機房結構的影響，建立燃機房屋面的整體模型，屋架兩端采用鉸接支座，為簡化模型3。該模型忽略了燃機房結構剛度和結構位移的影響，將屋架支座簡化為兩端不動鉸。計算模型簡圖見圖3(不考慮屋面混凝土板作用)。

1.4 屋架單獨計算整體模型(一端鉸接一端滑動)

不考慮燃機房結構的影響，僅建立燃機房屋面的整體模型，屋架一端采用鉸接支座，一端采用滑動支座，為簡化模型4。該模型忽略了燃機房結構剛度的影響，而釋放了屋架軸向的變形。計算模型簡圖見圖4(不考慮屋面混凝土板作用)。

1.5 屋架單獨計算單榀模型(兩端鉸接)

圖4 屋面桁架單獨計算整體模型(一端鉸接一端滑動)Fig.4 Overall calculation m odel of roofing's truss-one side hinge and the other side sliding

不考慮燃機房結構的影響，僅建立燃機房屋面的單榀模型，屋架兩端均采用鉸接支座，為簡化模型5。該模型忽略了燃機房結構剛度和屋面整體剛度的影響，而將屋架支座簡化為兩端不動鉸。計算模型簡圖見圖5(不考慮屋面混凝土板作用)。

1.6 屋面桁架單獨計算單榀模型(一端鉸接一端滑動)

圖5 屋面桁架單獨計算單榀模型(兩端鉸接)Fig.5 Single beam calculation model of roofing's truss-both sides hinge

不考慮燃機房結構的影響，僅建立燃機房屋面的單榀模型，屋架一端采用鉸接支座，一端采用滑動支座，為簡化模型6。該模型忽略了燃機房結構剛度的影響，而釋放了屋架軸向的變形。計算模型簡圖見圖6(不考慮屋面混凝土板作用)。

圖6 屋面桁架單獨計算單榀模型(一端鉸接一端滑動)Fig.6 Single beam calculation model of roofing's truss-one side hinge and the other side sliding

2 計算結果

采用空間結構分析軟件STAAD-PRO(V8i版)對燃機房空間三角拱形管桁架的6種計算簡化模型進行建模計算。“恒荷載+活荷載”工況下桁架典型桿件內力和節點位移結果見表1。

工程設計中，屋面鋼桁架計算中，通常不考慮屋面混凝土板的作用。因此，有必要將桁架各種簡化模型計算結果與簡化模型1(不考慮屋面板影響)計算結果進行比較。

各種簡化模型計算結果與簡化模型1(不考慮屋面板影響)對應數據的比值見表2。

3 計算結果分析

3.1 屋面混凝土板對空間桁架計算結果的影響

考慮屋面混凝土板作用時屋面板應力見圖7。從表1和表2的計算結果可以看出：模型1考慮屋面混凝土板與不考慮屋面混凝土板時，桁架下弦桿軸力比值為0.98，桁架跨中撓度比值為0.674，桁架上弦桿軸力比值為0.19。屋面混凝土板對減小桁架上弦桿軸力和桁架撓度效果明顯。屋面桁架設計時不考慮屋面混凝土板的影響計算結果偏于安全。

3.2 桁架支座約束對桁架計算結果的影響

模型3屋面桁架支座鉸接時，桁架端跨下弦桿為軸壓力，跨中下弦桿軸拉力與簡化模型1計算的跨中下弦軸的比值為0.291。屋面桁架支座鉸接時，桁架下弦桿端部為最不利截面，而簡化模型1計算時桁架下弦桿跨中為最不利截面。因此，不考慮支座位移時的桁架兩端鉸接的簡化模型不滿足燃機房屋面空間三角管桁架設計要求。

簡化模型4屋面桁架支座一端位移釋放時，相當

58 Electric Power Construction Vol.33，No.5，May，2012于忽略燃機房雙肢柱側向剛度的影響。簡化模型4計算的桁架跨中撓度和軸力與簡化模型1計算的跨中撓度和軸力的比值分別為0.994和1.037，燃機房雙肢柱剛度對桁架支座的約束較小，屋面桁架設計時將桁架支座簡化為一端鉸接一端滑動對計算結果影響較小。

3.3 整體建模與單榀建模對計算結果的影響

根據表1和表2的計算結果，采用屋面系統單榀建模(簡化模型2)時桁架的下弦桿軸力和撓度與采用整體建模(簡化模型1)時屋面桁架的下弦桿軸力和撓度計算的比值分別為1.253和1.1，計算結果偏差較大。因此，采用單榀建模時的計算結果不滿足屋面桁架計算精度的要求，屋面桁架計算時宜采用結構整體建模。

4 結論

(1)燃機房屋面桁架計算中，屋面混凝土板對減小桁架上弦桿軸力和桁架撓度效果明顯。屋面桁架設計時，不考慮屋面混凝土板的影響，計算結果偏于安全。

(2)燃機房采用雙肢柱時，燃機房結構剛度對屋面桁架支座約束較小。屋面桁架設計時，可將桁架支座簡化為一端鉸接另一端滑動的模型，而不應將桁架支座簡化為兩端鉸接模型。

(3)燃機房屋面系統采用單榀建模與整體建模時，桁架計算結果偏差較大，建立單榀屋面桁架模型進行計算，易產生較大的誤差，因此建議建立屋面系統的整體模型。

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［4］重慶鋼鐵設計研究院.工業廠房鋼結構設計手冊［M］.北京：冶金工業出版社，1980：50-53.

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［7］王健功，丁賢.梯形鋼屋架靜動力分析［J］.山西建筑，2012(2)： 39-40.

［8］盧珍明.淺談鋼屋架設計中應注意的要點［J］.山西建筑，2011 (9)：53-54.

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