火電廠鋼結(jié)構(gòu)的分析與思考

【摘 要】火電廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但要求安全、可靠，還要盡量壓縮施工周期。設(shè)計(jì)師們不約而同選擇了抗震性能優(yōu)越、施工周期短、施工安裝靈活的鋼結(jié)構(gòu)。以下主要介紹了火電廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)和核心問題，并總結(jié)了一些經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】火電廠；鋼結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)分析

1、判斷結(jié)構(gòu)是否適合用鋼結(jié)構(gòu)

鋼結(jié)構(gòu)通常用于高層、大跨度、體型復(fù)雜、荷載或吊車起重量大、有較大振動(dòng)、高溫車間、密封性要求高、要求能活動(dòng)或經(jīng)常裝拆的結(jié)構(gòu)。直觀的說：火電廠、大廈、體育館、歌劇院、大橋、電視塔、倉(cāng)棚、工廠、住宅和臨時(shí)建筑等。這是和鋼結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)相一致的。

2、結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)布置

由于結(jié)果選型涉及廣泛，做結(jié)構(gòu)選型及布置應(yīng)該在經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師指導(dǎo)下進(jìn)行。在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中都應(yīng)該被強(qiáng)調(diào)的是“概念設(shè)計(jì)”，它在結(jié)構(gòu)選型及布置階段尤其重要。對(duì)一些難以做出精確理性分析或規(guī)范未規(guī)定的問題，可依據(jù)從整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、破壞機(jī)理、震害、試驗(yàn)現(xiàn)象和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的設(shè)計(jì)思想，從全局的角度來確定控制結(jié)構(gòu)的布置及細(xì)部措施。運(yùn)用概念設(shè)計(jì)可以在早期迅速、有效地進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇。所得結(jié)構(gòu)方案往往易于手算、概念清晰、定性正確，并可避免結(jié)構(gòu)分析階段不必要的繁瑣運(yùn)算。同時(shí)，它也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)可靠與否的主要依據(jù)。由于火電廠專業(yè)多、配合多、工藝復(fù)雜等特殊性，為了滿足工藝專業(yè)的功能需要，經(jīng)常需要構(gòu)思出一些非常規(guī)的結(jié)構(gòu)類型，這就需要一定的工程經(jīng)驗(yàn)的積累及對(duì)“概念設(shè)計(jì)”具備一定深度的理解的工程人員，發(fā)揮主觀能動(dòng)性創(chuàng)造出經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的工程設(shè)計(jì)，亦為后人提供了參考、借鑒的實(shí)例。林同炎教授在《結(jié)構(gòu)概念和體系》一書中介紹了用整體概念來規(guī)劃結(jié)構(gòu)方案的方法，以及結(jié)構(gòu)總體系和個(gè)分體系間的相互力學(xué)關(guān)系和簡(jiǎn)化近似設(shè)計(jì)方法。鋼結(jié)構(gòu)通常有框架、平面（桁）架、網(wǎng)架（殼）、索膜、輕鋼、塔桅等結(jié)構(gòu)型式，火電廠中應(yīng)用較多的是框架、桁架結(jié)構(gòu)型式。

結(jié)構(gòu)選型時(shí)，應(yīng)考慮它們不同的特點(diǎn)。在輕鋼工業(yè)廠房中，當(dāng)有較大懸掛荷載或移動(dòng)荷載，就可考慮放棄門式剛架而采用網(wǎng)架。基本雪壓大的地區(qū)，屋面曲線應(yīng)有利于積雪滑落，有利于釋放總雪載，降雨量大的地區(qū)相似考慮。建筑允許時(shí)，在框架中布置支撐會(huì)比簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)剛接的框架有更好的經(jīng)濟(jì)性。

結(jié)構(gòu)的布置要根據(jù)體系特征，荷載分布情況及性質(zhì)等綜合考慮 . 一般的說要?jiǎng)偠染鶆?. 力學(xué)模型清晰 . 盡可能限制大荷載或移動(dòng)荷載的影響范圍，使其以最直接的線路傳遞到基礎(chǔ) . 柱間抗側(cè)支撐的分布應(yīng)均勻 . 其形心要盡量靠近側(cè)向力（風(fēng)震）的作用線 . 否則應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn). 結(jié)構(gòu)的抗側(cè)應(yīng)有多道防線 . 比如有支撐框架結(jié)構(gòu)，柱子至少應(yīng)能單獨(dú)承受 1/4 的總水平力。國(guó)內(nèi)一些較大機(jī)組的主廠房的設(shè)計(jì)就是采用鋼結(jié)構(gòu)加支撐的結(jié)構(gòu)型式，有利于主廠房的抗震。

框架結(jié)構(gòu)的樓層平面次梁的布置，有時(shí)可以調(diào)整其荷載傳遞方向以滿足不同的要求。通常為了減小截面沿短向布置次梁，但是這會(huì)使主梁截面加大，減少了樓層凈高，頂層邊柱也有時(shí)會(huì)吃不消，此時(shí)把次梁支撐在較短的主梁上可以犧牲次梁保住主梁和柱子。

3、預(yù)估截面

結(jié)構(gòu)布置結(jié)束后，需對(duì)構(gòu)件截面作初步估算。主要是梁柱和支撐等的斷面形狀與尺寸的假定。

鋼梁可選擇槽鋼、工字鋼、軋制或焊接 H 型鋼截面等。根據(jù)荷載與支座情況，其截面高度通常在跨度的 1/20～ 1/50 之間選擇。翼緣寬度根據(jù)梁間側(cè)向支撐的間距按 l/b 限值確定時(shí)，可回避鋼梁的整體穩(wěn)定的復(fù)雜計(jì)算，這種方法很受歡迎。確定了截面高度和翼緣寬度后，其板件厚度可按規(guī)范中局部穩(wěn)定的構(gòu)造規(guī)定預(yù)估。柱截面按長(zhǎng)細(xì)比預(yù)估 . 通常50<λ<150，簡(jiǎn)單選擇值在 100 附近。根據(jù)軸心受壓、雙向受彎或單向受彎的不同，可選擇鋼管或 H 型鋼截面等。除此之外，構(gòu)件截面形式的選擇沒有固定的要求，結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)該根據(jù)構(gòu)件的受力情況，合理地選擇安全經(jīng)濟(jì)美觀的截面。

4、結(jié)構(gòu)分析

目前鋼結(jié)構(gòu)實(shí)際設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)分析通常為線彈性分析，條件允許時(shí)考慮 P-Δ，p-δ.。新近的一些有限元軟件可以部分考慮幾何非線性及鋼材的彈塑性能 . 這為更精確的分析結(jié)構(gòu)提供了條件。并不是所有的結(jié)構(gòu)都需要使用軟件。典型結(jié)構(gòu)可查力學(xué)手冊(cè)之類的工具書直接獲得內(nèi)力和變形。簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)通過手算進(jìn)行分析。復(fù)雜結(jié)構(gòu)才需要建模運(yùn)行程序并做詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析。

5、工程判定

要正確使用結(jié)構(gòu)軟件，還應(yīng)對(duì)其輸出結(jié)果的做“工程判定”。比如，評(píng)估各向周期、總剪力、變形特征等。根據(jù)“工程判定”選擇修改模型重新分析，還是修正計(jì)算結(jié)果。不同的軟件會(huì)有不同的適用條件。初學(xué)者應(yīng)充分明了。此外，工程設(shè)計(jì)中的計(jì)算和精確的力學(xué)計(jì)算本身常有一定距離，為了獲得實(shí)用的設(shè)計(jì)方法，有時(shí)會(huì)用誤差較大的假定，但對(duì)這種誤差，會(huì)通過“適用條件、概念及構(gòu)造”的方式來保證結(jié)構(gòu)的安全。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，“適用條件、概念及構(gòu)造”是比定量計(jì)算更重要的內(nèi)容。工程師們不應(yīng)該過分信任與依賴結(jié)構(gòu)軟件，注重概念設(shè)計(jì)和工程判定是避免因結(jié)構(gòu)軟件出錯(cuò)而造成嚴(yán)重的后果。

6、構(gòu)件設(shè)計(jì)

構(gòu)件的設(shè)計(jì)首先是材料的選擇，比較常用的是Q235（類似 A3）和 Q345（類似 16Mn），通常主結(jié)構(gòu)使用單一鋼種以便于工程管理，經(jīng)濟(jì)考慮，也可以選擇不同強(qiáng)度鋼材的組合截面，當(dāng)強(qiáng)度起控制作用時(shí)，可選擇Q345 ；穩(wěn)定控制時(shí)，宜使用 Q235。構(gòu)件設(shè)計(jì)中，現(xiàn)行規(guī)范使用的是彈塑性的方法來驗(yàn)算截面。這和結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算的彈性方法并不匹配。當(dāng)前的結(jié)構(gòu)軟件，都提供截面驗(yàn)算的后處理功能。由于程序技術(shù)的進(jìn)步，一些軟件可以將驗(yàn)算時(shí)不通過的構(gòu)件，從給定的截面庫里選擇加大一級(jí) . 并自動(dòng)重新分析驗(yàn)算，直至通過。這是常說的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)功能之一。它減少了結(jié)構(gòu)師的很多工作量。但是，初學(xué)鋼結(jié)構(gòu)至少應(yīng)注意兩點(diǎn)：

6.1 軟件在做構(gòu)件（主要是柱）的截面驗(yàn)算時(shí)，計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)的取定有時(shí)會(huì)不符合規(guī)范的規(guī)定 . 目前所有的程序都不能完全解決這個(gè)問題。所以，尤其對(duì)于節(jié)點(diǎn)連接情況復(fù)雜或變截面的構(gòu)件，結(jié)構(gòu)師應(yīng)該逐個(gè)檢查。

6.2 當(dāng)上面第 3 條中預(yù)估的截面不滿足時(shí)，加大截面應(yīng)該分兩種情況區(qū)別對(duì)待。①?gòu)?qiáng)度不滿足，通常加大組成截面的板件厚度，其中，抗彎不滿足加大翼緣厚度，抗剪不滿足加大腹板厚度。②變形超限，通常不應(yīng)加大板件厚度，而應(yīng)考慮加大截面的高度，否則，會(huì)很不經(jīng)濟(jì)。使用軟件的前述自動(dòng)加大截面的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，很難考慮上述強(qiáng)度與剛度的區(qū)分，實(shí)際上，常常并不合適。

7、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

連接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要的內(nèi)容之一。在結(jié)構(gòu)分析前，就應(yīng)該對(duì)節(jié)點(diǎn)的形式有充分思考與確定。常常出現(xiàn)的一種情況是，最終設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)分析模型中使用的形式不完全一致。這必須避免，按傳力特性不同，節(jié)點(diǎn)分剛接，鉸接和半剛接，初學(xué)者宜選擇可以簡(jiǎn)單定量分析的前兩者，常用的參考書有豐富的推薦的節(jié)點(diǎn)做法及

計(jì)算公式。連接的不同對(duì)結(jié)構(gòu)影響甚大。比如，有的剛接節(jié)點(diǎn)雖然承受彎矩沒有問題，但會(huì)產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)動(dòng)，不符合結(jié)構(gòu)分析中的假定。會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工程變形大于計(jì)算數(shù)據(jù)等的不利連接節(jié)點(diǎn)有等強(qiáng)設(shè)計(jì)和實(shí)際受力設(shè)計(jì)兩種常用的方法，初學(xué)者可偏安全選用前者。設(shè)計(jì)手冊(cè)中通常有焊縫及螺栓連接的表格等供設(shè)計(jì)者查用，比較方便。也可以使用結(jié)構(gòu)軟件的后處理部分來自動(dòng)完成。

8、總結(jié)

鋼結(jié)構(gòu)雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但它也有很多弊端，相對(duì)而言，鋼材價(jià)格比較昂貴、耐火性能差、某些偏遠(yuǎn)地區(qū)鋼材及鋼結(jié)構(gòu)成品運(yùn)輸困難、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)復(fù)雜等，因此，應(yīng)該對(duì)比鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)的適用性而因地制宜地選擇，不能盲目的選擇。

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