汽機(jī)房屋蓋鋼桁架和實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

李良

摘 要：汽機(jī)房屋蓋體系可以分為屋面板和屋蓋結(jié)構(gòu)2部分。常見(jiàn)的屋面板有復(fù)合壓型鋼板保溫輕型屋面板、壓型鋼板底?，F(xiàn)澆混凝土屋面板、大型預(yù)制混凝土板、GRC板、NALC板等。近年來(lái)，屋面板體系通常采用復(fù)合壓型鋼板保溫輕型屋面板。本文在確定屋面板體系為復(fù)合壓型鋼板保溫輕型屋面板的情況下，對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)方案——汽機(jī)房屋面鋼桁架結(jié)構(gòu)和實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)2種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較。選取24 m、27 m這2種常用跨度的汽機(jī)房案例進(jìn)行分析。結(jié)論為24 m跨度的汽機(jī)房屋面選擇實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)方案更為經(jīng)濟(jì)和實(shí)用；27 m跨度的汽機(jī)房屋面，鋼桁架結(jié)構(gòu)方案在經(jīng)濟(jì)上略占優(yōu)勢(shì)。綜合考慮，仍應(yīng)采用實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)方案。

關(guān)鍵詞：汽機(jī)房屋蓋；有限元分析；實(shí)腹梁；鋼桁架

中圖分類號(hào)：TU318 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.003

火力發(fā)電廠汽機(jī)房屋蓋系統(tǒng)是主廠房結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中的重要組成部分。除了屋蓋本身承受豎向荷載之外，汽機(jī)房屋蓋系統(tǒng)還傳遞水平力。汽機(jī)房?jī)?nèi)布置有火力發(fā)電廠的核心設(shè)備，例如汽輪發(fā)電機(jī)組、重要輔機(jī)設(shè)備等。為了保證電廠的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，汽機(jī)房屋蓋應(yīng)作為重要結(jié)構(gòu)進(jìn)行專門研究。在滿足安全、可靠的前提下，應(yīng)兼顧經(jīng)濟(jì)性、耐久性、抗震性、防火性等多種功能。

屋蓋本身是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，需建筑與結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)一致、相互配合，以達(dá)到屋面系統(tǒng)體系的整體優(yōu)化。本工程汽機(jī)房屋面面積比較大，對(duì)工程造價(jià)和工程進(jìn)度影響大。

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合案例自然條件，以滿足使用功能、結(jié)構(gòu)安全及節(jié)省工程造價(jià)為準(zhǔn)則，對(duì)屋蓋結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。以較節(jié)省的投資選擇，合理的建筑結(jié)構(gòu)方案，努力使電廠設(shè)計(jì)與時(shí)俱進(jìn)，進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化，打造高質(zhì)量、低造價(jià)、低運(yùn)行成本的設(shè)計(jì)。

1 2種結(jié)構(gòu)方案比較

1.1 實(shí)腹梁屋面結(jié)構(gòu)方案

近年來(lái)，實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。一般認(rèn)為跨度超過(guò)一定數(shù)值，實(shí)腹鋼梁結(jié)構(gòu)在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)性上都有一定的缺點(diǎn)。為滿足承載力及正常使用的要求，一般截面比較高，自重大，經(jīng)濟(jì)性能較差。但隨著焊接變截面工字鋼的廣泛使用，這種結(jié)構(gòu)型式已越來(lái)越多地被人們所接受。它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳力明確、拼接方便，加工、焊接工作量小等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)梁截面彎距包絡(luò)圖的形狀大小，可以設(shè)計(jì)成變截面的形式，以大量節(jié)省鋼材。對(duì)于屋脊處的拼接，常用高強(qiáng)螺栓加焊縫的混合連接方式，節(jié)點(diǎn)安全、可靠。為滿足剛度要求，可適當(dāng)起拱。在同樣的屋內(nèi)凈空要求下，屋面標(biāo)高可大大小于屋架及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，從而減少汽機(jī)房的高度，以實(shí)現(xiàn)減輕質(zhì)量、節(jié)約材料的目標(biāo)。

1.2 鋼桁架屋面結(jié)構(gòu)方案

鋼桁架結(jié)構(gòu)為常用的汽機(jī)房屋蓋結(jié)構(gòu)型式，在國(guó)內(nèi)工業(yè)建筑，尤其是火電廠主廠房屋架中有著廣泛的應(yīng)用。在受力特征上，它也是一種空間結(jié)構(gòu)，只不過(guò)為了計(jì)算方便，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行計(jì)算。它可根據(jù)建筑要求設(shè)計(jì)成單坡或雙坡形式。該結(jié)構(gòu)為靜定結(jié)構(gòu)，受力明確，平面內(nèi)剛度大，結(jié)構(gòu)可靠，在豎向荷載作用下不產(chǎn)生水平推力。當(dāng)采用復(fù)合壓型鋼板保溫輕型屋面板時(shí)，鋼屋架本身的支撐系統(tǒng)桿件不能承受彎距，需設(shè)置大量的屋面檁條，進(jìn)而經(jīng)濟(jì)性受到影響。鋼屋架為滿足平面外穩(wěn)定及傳遞水平荷載的要求，上、下弦均應(yīng)設(shè)置縱、橫向水平支撐。另外，還需按要求設(shè)置縱向垂直支撐。鋼構(gòu)件施工制作麻煩，節(jié)點(diǎn)多，焊接工作量大，桿件規(guī)格的品種多，施工吊裝時(shí)側(cè)向剛度弱，有時(shí)需另外設(shè)置臨時(shí)支撐系統(tǒng)。因鋼屋架屋面承載力大，設(shè)計(jì)、施工人員經(jīng)驗(yàn)豐富，所有鋼屋架從技術(shù)上分析是可行的，應(yīng)用也比較廣泛。

1.3 屋面結(jié)構(gòu)方案比較表

表1為汽機(jī)房屋蓋結(jié)構(gòu)方案比較情況。

2 結(jié)構(gòu)實(shí)例

2.1 27 m跨度汽機(jī)房屋蓋結(jié)構(gòu)實(shí)例

2.1.1 設(shè)計(jì)條件概述

現(xiàn)以某300 MW發(fā)電機(jī)組工程的27 m跨度汽機(jī)房屋面結(jié)構(gòu)方案為例，設(shè)計(jì)采用的主要技術(shù)數(shù)據(jù)為：50年一遇基本風(fēng)壓為0.40 kN/m2；場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值

為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組屬第一組，擬建場(chǎng)地建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期為0.45 s。汽機(jī)房A，B軸之間跨度為27 m，縱向柱距9 m，總長(zhǎng)度為72 m，相對(duì)主廠房0 m地坪的高度從低到高為28.000～30.670.

2.1.2 設(shè)計(jì)荷載

本工程采用輕鋼結(jié)構(gòu)屋面，屋面板采用雙層復(fù)合保溫彩鋼板，外板厚度不小于0.6 mm，超細(xì)玻璃絲棉厚度不小于60 mm，內(nèi)板厚度不小于0.5 mm，板材為優(yōu)質(zhì)鍍鋁鋅鋼板。圖1為實(shí)腹梁荷載簡(jiǎn)圖，圖2為活載標(biāo)準(zhǔn)值簡(jiǎn)圖，圖3為設(shè)備荷載標(biāo)準(zhǔn)值簡(jiǎn)圖，圖4為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值簡(jiǎn)圖。

2.1.3 實(shí)腹梁計(jì)算（MIDAS）

2.1.3.1 實(shí)腹梁模型

實(shí)腹梁采用變截面，參數(shù)為：高度1 000～1 400線性變化，梁腹板和翼緣厚度不變，截面為H1 000×400×20×28～H1 400×400×20×28.梁截面最高處位于跨度中間，逐漸向兩端支座處減小梁截面高度。使用MIDAS軟件建立的實(shí)腹梁模型如圖5所示。

2.1.3.2 內(nèi)力分析

實(shí)腹梁?jiǎn)卧獜澗匕j(luò)見(jiàn)圖6，彎矩最大值為2 945.0 kN·m。

實(shí)腹梁?jiǎn)卧孛鎽?yīng)力圖如圖7，最大應(yīng)力區(qū)域范圍較大，最大值為157.9 N/mm2，滿足Q235鋼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

實(shí)腹梁在荷載標(biāo)準(zhǔn)組合下的撓度圖如圖8，梁截面撓度限值為L(zhǎng)/400=67.5 mm，本工程撓度計(jì)算最大值為65.039 mm，小于67.5 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.1.3.3 實(shí)腹梁特性

實(shí)腹梁特性如表2所示。

2.1.4 鋼桁架計(jì)算（PM）

2.1.4.1 鋼桁架模型

鋼桁架采用PM二維建模，上、下弦梁中心線間距為2.7 m，詳細(xì)模型如圖9.

2.1.4.2 內(nèi)力分析

2.1.4.3 鋼桁架特性

2.2 24 m跨度汽機(jī)房屋蓋結(jié)構(gòu)實(shí)例

2.2.1 設(shè)計(jì)條件概述

以某2×50 MW發(fā)電機(jī)組工程的24 m跨度汽機(jī)房屋面結(jié)構(gòu)方案為例，設(shè)計(jì)采用的主要技術(shù)數(shù)據(jù)為：50年一遇基本風(fēng)壓為0.35 kN/m2；場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.067g，設(shè)計(jì)地震分組屬第二組，擬建場(chǎng)地建筑場(chǎng)地類別為Ⅱ類，特征周期為0.42 s。汽機(jī)房A，B軸之間跨度為24 m，縱向柱距8 m，總長(zhǎng)度為105.2 m，相對(duì)主廠房0 m地坪的高度從低到高為22.500～24.900.

2.2.2 實(shí)腹梁和鋼桁架特性

設(shè)計(jì)荷載和相關(guān)分析過(guò)程同27 m跨度汽機(jī)房屋蓋結(jié)構(gòu)。

3 經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較

在24 m跨度的汽機(jī)房屋蓋結(jié)構(gòu)中，由于鋼桁架結(jié)構(gòu)方案汽機(jī)房屋蓋比實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)方案汽機(jī)房屋蓋增加了下弦支撐系統(tǒng)，導(dǎo)致在工程所用的鋼材量相差不多，節(jié)省鋼材8.9 t。但鋼桁架屋蓋結(jié)構(gòu)矢高大，增加了汽機(jī)房的體量以及墻體維護(hù)的夾心鋼板的量為463.1 m2。從技經(jīng)方面比較，鋼材單價(jià)取6 000元/t，夾心鋼板取240元/t，實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)方案節(jié)省造價(jià)約6萬(wàn)元。

在27 m跨度的汽機(jī)房屋面中，由于實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)方案汽機(jī)房屋面和鋼桁架結(jié)構(gòu)方案汽機(jī)房屋面均需要下弦支撐系統(tǒng)，而鋼桁架單榀（5.8 t）比實(shí)腹梁?jiǎn)瘟海?1.6 t）節(jié)省，因此實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)方案所用鋼材量比鋼桁架結(jié)構(gòu)方案多了35.6 t。在矢高方面，鋼桁架結(jié)構(gòu)方案增加了汽機(jī)房的體量以及墻體維護(hù)的夾心鋼板的量為451.8 m2。單從技經(jīng)方面比較，鋼材單價(jià)取6 000元/t，夾心鋼板取240元/t，鋼桁架結(jié)構(gòu)方案節(jié)省造價(jià)約10萬(wàn)元。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上計(jì)算分析和比較，可以得出以下結(jié)論：①24 m跨度選擇實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)方案，無(wú)論是從工程造價(jià)考慮，還是從結(jié)構(gòu)施工方面考慮，都是比較合理的。②在27 m跨度汽機(jī)屋蓋，鋼桁架結(jié)構(gòu)方案節(jié)省造價(jià)約為10萬(wàn)元，相差很小。但由于實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)方案施工周期短以及現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量易保證，綜合比較來(lái)看，在27 m跨度的汽機(jī)房屋面選用結(jié)構(gòu)方案時(shí)，傾向選擇實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)方案。③綜上所述，在常規(guī)汽機(jī)房屋蓋結(jié)構(gòu)方案選擇時(shí)，對(duì)于不大于27 m跨度的汽機(jī)屋蓋，宜采用實(shí)腹梁結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。

參考文獻(xiàn)

[1]張曉紅.汽機(jī)房屋面結(jié)構(gòu)選型分析[J].浙江電力，2008（6）.

[2]夏宏君，張愛(ài)中.火力發(fā)電廠汽機(jī)房屋面網(wǎng)架與鋼屋架體系的綜合比較[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2004（09）.

[3]呂世雄.火電廠主廠房屋面網(wǎng)架的應(yīng)用[J].電力建設(shè)，2000（8）.

〔編輯：劉曉芳〕