某水電站廠房屋架方案的比較選擇

摘 要：在水電站的設計和施工過程中，選擇不同類型的廠房屋架，不僅影響工程的技術經濟指標，對于制造、安裝質量和施工進度也存在著較大的影響。文章針對國外某大型水電站廠房的屋架，從強度和抗震性能、經濟效益、施工安排和施工進度等方面比較了空間網架結構和預應力混凝土梁桁架結構兩種方案，綜合分析了兩者之間的優劣，并最終確定選用空間網格結構，節約了項目成本、加快了項目施工進度。

關鍵詞：屋架；空間網架；預應力混凝土梁

前言

中東地區在建的某水電站EPC項目，為引水式電站，總裝機容量為460MW（包括兩臺225MW的立式混流式水輪發電機組和兩臺5MW的臥式混流式水輪發電機組）。該項目位于地震多發區，廠房設計中的設計基準地震（DBE）采用周期地震載荷。本項目中，DBE的水平地震動峰值加速度（PGA）為0.36g，垂直PGA為0.31g。最大設計地震（MDE）的水平PGA為0.49g，垂直PGA為0.45g。該電站廠房為地面廠房，廠房屋頂總長100.5m、跨度28.0m、總面積2814.0m2（投影面積）。廠房屋架的選擇需要考慮許多因素，例如平面形狀和尺寸、支撐方式、荷載、材料、建筑結構和要求、制造和安裝方法等。因此，需要綜合分析經濟性、合理性、安全性、實用性，并綜合考慮實際條件來確定屋架的類型。本項目設計過程中，初步選擇空間網架結構和預應力混凝土梁桁架結構兩種屋架方案。經過有限元計算論證，兩種方案均能滿足廠房跨度和荷載要求。在此基礎上，文章對兩種方案的價格、抗震性能、安裝難易、施工時間、外觀等進行了比較，選擇其中性價比較高的方案作為最終方案。

1 方案概述

1.1 空間網架結構

空間網架結構的平面尺寸為100.5m×28.0m（長×寬），結構型式為高強螺栓球節點正方四角錐網架。空間網架結構的多樣性能夠滿足各種建筑物的使用需求，其組成部件上弦、底弦和網絡部件主要承受拉應力和壓應力。空間網架屋頂通過兩條傾斜度為5°的斜坡進行排水，雨水由斜坡排進天溝，然后經由雨水管流進地面排水渠。空間網架屋頂的設計使用壽命為50年。

1.2 預應力混凝土梁桁架結構

該項目廠房跨度大約28m，如使用混凝土梁結構，屋架的自重就相當大，且只有在操作層至屋頂段的墻體完工后才能開始澆砼。這種施工難度大，影響其它部位的施工和機組安裝，而且，混凝土也易產生裂縫。因此，需要采用預應力混凝土梁。預應力梁的截面尺寸為1500mm×2000mm（長×寬），預應力二期混凝土梁的截面尺寸為500mm×1000mm（長×寬）。采用預拉伸法來制作預應力混凝土梁。首先將鋼筋在倉面上拉緊，然后臨時固定直至混凝土澆筑并凝固。澆筑完的混凝土中產生一定的應力后，才可對預拉伸的鋼筋進行剪切或放松。鋼筋剪切后會產生彈性收縮，但由于鋼筋和混凝土間存在粘聚力，混凝土會限制鋼筋的收縮，于是混凝土內就會產生預應力。

2 受力和抗震性能分析比較

2.1 空間網架結構

（1）這種結構完整性、抗震性好，且能夠承受不同方向的載荷。網架結構是一種高度靜態固定的結構，力的傳導清晰分明，荷載均勻分布在整體結構上且整體剛度均勻。即使某些部件產生塑性變形，內應力重新分配后，整體網架仍然能夠安全可靠地運行。這種結構具有相當的變形適應能力。[1]（2）結構安全性提高了。部件的內應力和對支撐的反作用力均低于平面屋架系統，由此可以減小部件截面積、提高承載能力，相應的整體安全性也就提高了。（3）空間結構由網架結構和上下游墻體組成。在橋機垂直輪壓和橫向水平制動力的作用下，廠房結構是空間受力的（對于單層屋頂結構則是平面受力），空間結構可以減小軌道頂部的位移、增強橫向的剛度。（4）網架結構還可以承受地基不均勻沉降帶來的不利影響。

2.2 預應力混凝土梁桁架結構

（1）由于拉伸工藝和材料特性的影響，安裝過程中預應力將逐漸減小。（2）相比網架結構，預應力混凝土梁的自重非常大，結構的承載能力較差、安全性較低。（3）項目位于高強地震區。預應力梁的垂直剛度和橫向剛度的區別相當大，整體剛度不均勻，屋頂的整體抗震性不好。而且，由于預應力梁的自重太大，將導致垂直方向的地震力較大，梁體抗震性能低。[2]（4）如采用預應力混凝土梁，每個桁架都是在一個平面內局部受力。與網架結構相比，軌道頂部位移相對容易增加，而橫向剛度則有所降低。

3 經濟效益分析比較

3.1 空間網架結構

（1）與普通混凝土梁相比，空間網架結構可以充分使用高強鋼筋和高強混凝土，減少鋼筋的使用量和截面積，降低自重，能夠為在大跨度結構中使用混凝土結構創造更好的條件。（2）空間網架結構形態美觀，同時可以降低頂部高度。使用空間網架結構，屋頂的自重降低，整個屋頂更顯輕靈和美觀，形態也更加多樣。由于鋼桁架的使用增加了3/5～4/5，這種結構能夠允許建筑物的跨度更大一些。

3.2 預應力混凝土梁桁架結構

（1）與普通混凝土梁相比，預應力梁桁架結構同樣可以更充分地使用高強鋼筋和高強混凝土。因此，鋼筋的用量降低、截面積減小，結構自重也就降低，為在大跨度結構中使用混凝土結構創造了更好地條件。（2）與空間網架結構相比，預應力混凝土梁桁架結構制作周期長，鋼筋的消耗大，需要的人工多，操作也復雜，成本更高。

4 施工安排和進度分析比較

4.1 空間網架結構

（1）空間網架結構制作質量有保障，占地少，設計和制作可以標準化，網架及節點備品可以提前按照標準進行制造。提前制造的網架構件和節點備品重量輕，便于存儲、裝卸、運輸和安裝。標準化的生產可以有效提高制造質量。螺栓連接方式可以加快安裝進度并減少工地現場施工時間。（2）網架屋頂結構尺寸小、重量輕。因此，不需要大容量的起重設備來進行安裝。工地上的常規塔吊即可滿足起吊和安裝的需求，施工極為方便。此外，網架屋頂結構的施工周期僅有普通屋頂的1/2～1/3。[3]（3）空間網架結構需要由專業隊伍進行安裝。

4.2 預應力混凝土梁桁架結構

（1）預拉伸方法的優勢在于制作程序簡單，對人工要求不高，便于保證施工質量，而且不需要永久的固定部件，可以在一張長工作臺上同時生產若干個部件。（2）該項目廠房跨度較大，一根預應力梁的自重就超過100t。因此，需要專門配備起重能力超過100t的起重設備。采用預應力混凝土梁桁架結構，對于施工設備的要求較高，且施工工藝也相對復雜。（3）預應力梁的安裝和連接難度較大。因二期梁和屋面板在現場澆筑，需要從操作層安裝腳手架至屋頂，而且腳手架的施工也有難度。采用預應力梁桁架結構，會嚴重影響土建施工和機電設備安裝，工期將延長3～4個月。

5 其它因素的分析比較

5.1 空間網架結構

空間網架結構造型輕盈美觀，不需要吊頂，而且通風良好。

5.2 預應力混凝土梁桁架結構

（1）預應力梁的抗裂性能較普通鋼筋混凝土要高，拓寬了混凝土結構的使用范圍。（2）受力情況下，預應力梁通常不會產生裂縫，耐用性強、剛度大、變形小。

6 結束語

綜合考慮經濟效益、美觀性、施工安排、整體剛度、抗震性能，預應力混凝土梁桁架結構的安裝需要而配備100t以上的起重設備、施工困難，而且彎曲鋼筋的節點連接很難保證。因此，不推薦在該廠房屋架使用預應力混凝土梁桁架結構方案。與預應力混凝土梁相比，空間網架結構優勢明顯，其剛度均勻、抗震性好、美觀、便于施工、施工周期短、設計接口少。因此，該項目廠房屋架最終選擇空間網架結構方案。

參考文獻

[1]丁陽，郭峰，李忠獻.地震作用下空間網架結構考慮損傷累積效應的彈塑性分析[J].工程力學，2005，22（1）：54-58.

[2]熊學玉，王壽生.體外預應力梁振動特性的分析與研究[J].地震工程與工程震動，2005，25（2）：55-61.

[3]黃悅凡.大跨度網架結構安裝技術[J].山西建筑，2011，37（3）：85-86.