某電廠消防泵房上部鋼結構設計中部分問題的思考

曹宏智，田 楠，劉 鑫

（深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518029）

1 概述

某電廠消防泵房鋼結構廠房消防泵房分為地下及地上兩部分。地上為普通單層鋼結構廠房，設電動橋式吊車Gn＝40t、Gn＝25t各1臺。廠房整體結構體系選型為框排架結構體系，是一種由多榀并排的平面主框架通過吊車梁、支撐等縱向構件連接形成的一種空間結構體系。主框架采用鋼桁架代替框架橫梁，鋼桁架與框架柱剛接，框架柱為實腹式組合截面鋼柱。泵房屋面采用鋼結構，屋架為鋼桁架，檁條為H型鋼，單坡屋面，屋面坡度取5%；墻板、屋面板采用帶有保溫隔熱層的雙層彩色鍍鋅壓型鋼板（彩鋼硬質聚氨酯夾芯板），其耐用年限不低于20a。本文將對該電廠消防泵房設計中遇到的一些問題進行分析思考，對比其與參考電廠泵房鋼結構的相同點與不同點，如鋼結構廠房柱距的確定，檁條、支撐與隅撐的布置。參考電廠泵房鋼結構中抗風柱與屋架鉸接，本工程中抗風柱與屋架采用傳統的彈簧片連接，和相對于參考電廠泵房鋼結構中半門吊牛腿懸挑長度延伸后，鋼柱節點域的加強措施。

2 剛架柱距的選擇

剛架的柱距與剛架跨度、檁條形式，屋面荷載等因素有關。剛架規范規定，剛架柱距宜為6m、7.5m、9m，最大可采用12m。經過研究發現，隨著柱距的增大，剛架的用鋼量是逐漸下降的，但當柱距增大到一定數值后，剛架的用鋼量隨著柱距的增大下降的較為平緩，但其他構件如檁條、吊車梁、墻梁的用鋼量會隨著柱距的增大而增大，就房屋的總用鋼量而言，隨著柱距的增大先下降而后又上升。因此剛架存在著最優柱距，表1列出在一般情況下不同跨度所對應的最優柱距：

表1

本工程鋼結構的圍護結構采用雙層壓型鋼板，柱距可不受模數限制，柱距選擇主要依據使用要求和合理用鋼量來確定。本工程剛架跨度為22.5m，基本柱距定位7.5m，在15～16軸間的PS區根據工藝要求柱距11.72m，15軸柱由于承受屋面傳來荷載增大也相應增大了截面尺寸，同時15～16軸間增加了支撐與檁條（如圖1）。

3 抗風柱連接方式的選擇

抗風柱的柱腳有剛接和鉸接兩種形式。鉸接時，基礎只承受較小的軸力、剪力，設計和構造件簡單。剛接時，傳遞給基礎的彎矩和軸力則相對大得多，設計和構造件也相對復雜。通常情況下，鉸接柱腳時基礎底面積僅為剛接時的40%左右，加上節點的構造簡單，抗風柱腳采用鉸接對設計、造價都有明顯的優勢。本工程抗風柱即采用鉸接形式的柱腳。抗風柱柱頂也有兩種連接方法。

圖1

3.1 抗風柱柱頂與屋架通過彈簧片來連接

彈簧片豎向剛度較弱，節點不傳遞豎向力，屋面荷載主要由剛架承受。水平方向彈簧片不易變形，能夠保證水平荷載的傳遞。

3.2 抗風柱柱頂與屋架鉸接或剛接

此時，屋面荷載由剛架及抗風柱共同承擔，抗風柱為壓彎構件，截面尺寸較大，同時屋面梁的變形對它產生不利影響，反之抗風柱也會造成屋面梁的變形不協調，使之承受扭矩，不利于梁的穩定。對于抗風柱來說，則同時承擔豎向荷載和風荷載。

本工程16軸邊框架上，承受了11.72m跨度的PS區屋面荷載的一半，邊框架承受的屋面荷載已經接近中框架承受的屋面荷載，為了避免增大抗風柱的截面尺寸，使抗風柱受力直接，傳力明確，在本工程的抗風柱頂與屋架的連接中，采用了通過彈簧片連接的形式，使其只承受墻板和自身的重量和風荷載。

4 半門吊牛腿懸挑尺寸延長后牛腿與鋼柱連接節點域的加強

參考電廠消防泵房中半門吊的牛腿懸挑出柱邊為950mm，半門吊導軌距柱邊為650mm，減去墻板檁條的高度200mm，再扣去墻面雙層壓型鋼板的厚度，所能給半門吊夾軌器留的凈尺寸不足400mm，而據吊車廠家采購的夾軌器所要求的最小凈距為450mm，參考電廠消防泵房半門吊牛腿懸挑長度顯然不夠，而最后導致在施工時將半門吊導軌位置處的墻面壓型鋼板全部去除，從泵房外部看橫向的一條墻面被齊齊切除，外觀非常難看。

在本工程中，為了滿足吊車廠家所提的夾軌器距墻面凈距500mm的要求，將半門吊牛腿懸挑出柱邊的尺寸增加到1100mm，需要對增加后的牛腿及柱腹板節點域進行強度及穩定性計算。

經過計算后發現，半門吊車的吊車梁外移150mm后牛腿的抗彎、抗剪、整體穩定性仍滿足要求，柱腹板節點域滿足抗剪要求，抗剪應力比達到0.88（不移為0.71），比較靠近1.0；柱腹板節點域腹板厚度12mm，不滿足GB50017-2003 第7.4.2條式7.4.2-2計算出的（hc+hb）/90 =14.3mm，比值為1.19，需要在柱腹板節點域做加強措施。最初加強方案為柱腹板節點域加補強板，采用8厚雙面貼板，補強板上下邊緣伸過柱橫向加勁肋之外各150mm，貼板與柱腹板連接為塞焊縫，塞焊點之間的距離，不應大于相連板件中較薄板件厚度的倍。但考到補強板的設置與塞焊點布置較密集帶來的施工不便，最終采取了在柱腹板節點域內設置12mm厚的交叉斜向加勁肋，發揮其對柱腹板節點區的劃分作用，以期達到減小柱腹板寬度hc的目的，使得柱腹板節點域腹板厚度滿足要求（如圖2）。

圖2

5 檁條與隅撐的布置

檁條的用鋼量在房屋結構中所占的比重較大，約占結構用鋼量的1/5～1/3。設計時，應盡量增大檁條的間距，選用合適的檁條形式，減少屋面材料的重量。檁條間距的選擇應綜合考慮天窗、采光帶、通風屋脊、屋面材料、檁條規格等因素按計算確定，一般為等間距布置，但在屋脊處應沿屋脊兩側各布置一道，在天溝附近布置一道。

隅撐的設置是用來保證梁的下翼緣受壓部分的局部穩定。本工程中屋架上弦的局部穩定由與之連接的檁條保證，這樣在根據我們的施載方式繪制出的彎矩圖中，只要在屋架下弦受壓部分設置隅撐即可（一般隔檁布置），但是實際的荷載我們很難考慮周全，比如隨遇的風荷載，那么我們就很難確定到屋架下弦受壓部分在哪里，因此，為避免隨遇的風荷載所到來屋架下弦受壓部分位置的不確定，同時為了給屋架的局部穩定留出一定的安全儲備，本工程消防泵房與參考電廠消防泵房鋼結構中屋面隅撐均為全跨通設。

6 結論

在進行本消防泵房上部鋼結構的設計中要保證整個結構在縱向構件、支撐和圍護結構的聯系下形成空間的穩定體系，只有保證結構的整體穩定，才能承擔各種荷載和其他效應。設計必須體現計算假定與結構構造的一致性。還應明確各類外力從作用點到基礎的傳遞路徑和傳遞全過程中產生的效應。每一項設計都需要能夠正確運用和執行本專業的有關技術標準、規范、導則和規程，并根據工程的實際情況靈活運用所掌握的專業知識進行設計。

[1]GB50017-2003 鋼結構設計規范[S].

[2]鋼結構設計手冊（上冊）[M].3版.北京：中國建筑工業出版社，2004.

[3]GB50009-2001 建筑結構荷載規范[S].

[4]李承漢，徐琪華，姜學宜，樂嘉龍.新編輕鋼結構設計實用手冊[M].北京：中國電力出版社，2007.