某發電廠新建工程汽機房屋面結構設計

王衛紅

摘要：對主廠房汽機房五種屋面形式進行了分析比較，本著“安全、經濟、適用、美觀”的原則，結合本工程情況推薦屋面形式采用復合（保溫）壓型鋼板輕型屋面。并對三種屋架結構體系——梯形鋼屋架、實腹鋼梁、空間倒三角鋼管桁架進行了技術經濟比較，推薦空間倒三角鋼管桁架有檁體系，與梯形鋼屋架和實腹鋼梁相比節省鋼材分別為22%和24%，節省投資分別為50.4和57.4萬元。

關鍵詞：汽機房;屋面結構;結構選型

1 汽機房屋面材料選型

汽機房屋面形式目前多采用五種形式：A：復合（保溫）壓型鋼板輕型屋面;B：壓型鋼板底模現澆混凝土板加卷材防水屋面;C：壓型鋼板底模+輕質陶粒混凝土現澆屋面;D：大型預制混凝土板加卷材防水屋面;E：大型預制輕型混凝土板卷材防水屋面。

通過對比，壓型鋼板底模現澆混凝土板加卷材防水屋面由于其自重過大使得屋架、柱的截面均需加大，主廠房整體結構的地震荷載也增大很多，對結構抗震不利。另外壓型鋼板底模現澆混凝土板加卷材防水屋面施工復雜，受天氣等外部條件影響大，且須另作保溫、防水層。

復合壓型鋼板輕型屋面的方案，是目前世界通行的輕型屋面材料，復合壓型鋼板可以達到屋面板結構強度與建筑保溫、防水的統一，是一種先進的屋面板形式。以某中外合資公司的產品為例，不褪色的保質期達20年，而不發生銹蝕，保質期超過50年，屋面板耐久性能卓越、自重較輕等優勢，所以該產品在發電廠建筑中有廣泛的應用。由我院設計的分宜電廠二期、三期和貴溪電廠二期等很多工程均得到了成功應用。本工程推薦屋面復合壓型鋼板輕型屋面的方案。

2汽機房屋蓋結構選型與分析

在工業建筑中， 尤其在火電廠汽機房屋蓋中， 因受到多種因素的限制，目前火力發電廠汽機房屋面結構型式主要有網架、鋼屋架、實腹鋼梁以及我院結合工程設計經驗研究的空間倒三角鋼管桁架。

網架結構則由于施工質量不太容易保證，制造、安裝比較混亂，常常產生一些不可控因素，造成事故隱患;所以本文不考慮這種結構方式，僅對鋼屋架、實腹鋼梁和空間倒三角鋼管桁架三種結構方案作技術經濟比較。

2.1 鋼屋架（桁架）結構

鋼屋架（桁架）為常用的屋蓋結構型式，在國內工業建筑，尤其是火電廠主廠房屋架中有著廣泛的應用。從受力性能上，也是一種空間結構，只不過為了計算方便，設計計算時，簡化為平面結構模型進行計算。它可根據建筑要求設計成單坡或雙坡形式。該結構為靜定結構，受力明確，平面內剛度大，結構可靠。在豎向荷載作用下不產生水平推力。一般上鋪壓型鋼板底模現澆混凝土板，或上鋪復合壓型鋼板保溫輕型屋面板。鋼屋架為滿足平面外穩定及傳遞水平荷載的要求，在上、下弦均應設置縱、橫向水平支撐，還需按要求設置縱向垂直支撐。鋼構件施工制作麻煩，節點多，焊接工作量大，桿件規格的品種多，施工吊裝時側向剛度弱，有時需另外設置臨時支撐系統。

因為鋼屋架屋面承載力大，設計、施工經驗豐富，所有鋼屋架從技術上分析是可行的，應用也比較廣泛。

2.2 實腹鋼梁屋面結構

隨著焊接變截面工字鋼的廣泛使用，這種結構形式也被普便應用（它具有以下優點：結構簡單、傳力明確、拼接方便，加工、焊接工作量小，焊接鋼梁根據梁截面彎距包絡圖的形狀大小，將鋼屋架設計成變截面的形式，以節省鋼材。在屋脊處的拼接，常用高強螺栓加焊縫的混合連接，節點安全可靠。在同樣的屋內凈空要求下，屋面標高可大大小于屋架結構。

一般認為跨度超過一定數值，實腹鋼梁結構在技術上和經濟性上，都有一定的缺點。為滿足承載力及正常使用的要求，一般截面比較高，自重大，經濟性較差。汽機房屋面采用實腹鋼梁時，由于實腹鋼梁平面外穩定性較差，尚需設置支撐系統來傳遞水平力。為了承擔上部豎向荷載尚需額外設置檁條，從而要比管桁架在支撐系統上浪費材料。

實腹鋼梁與柱頂的連接，一般采用固接和鉸接兩種節點方案。固接方案，鋼梁與柱變形協調，可適當減少梁跨中彎距設計值，但柱端產生的彎矩較大，該做法節點構造復雜，施工麻煩。對不均勻沉降及溫度應力、安裝應力較敏感。鉸接方案，結構受力明確，計算簡便可靠。節點構造簡單，施工方便。對溫度應力不敏感，不均勻沉降對該結構類型不產生應力。對比兩種節點連接方式，并結合多種因素考慮，采用鉸接方案較為合理。

下面我們建一單榀實腹鋼梁屋架，按兩端鉸接情況進行設計，各項指標統計情況見表1（撓度允許值為L/400=26700/400=65.75mm）。

對上表進行分析可以看出：實腹鋼梁往往是撓度起控制作用，不能充分利用強度。設計時我們選用Q235B鋼材即可。

2.3 空間倒三角鋼管桁架屋面結構

空間倒三角鋼管桁架的使用，完全解決了平面桁架在加工制作、安裝起吊過程中平面外剛度差和平面外撓曲等問題，其運輸安裝費用比其它桁架低，維護費用明顯低于桁架。另外由于其頂面的寬度，大大減少了檁條的計算跨度，節省用鋼量、減輕重量。

管結構的另外一個優點在于它不但可以實現管與管之間的直接連接，也可以和其它截面的直接連接，發揮其各自的特長。焊接工作量比普通型鋼桁架減少50%～60%，但節點的連接設計施工是較復雜的，節點采用相貫連接，相貫線切割是難度較高的制造工藝，因為交匯鋼管的數量、角度、直徑的不同使得相貫線形狀各異，而且坡口處理困難。但隨著多維數控切割技術的發展，這些難點已被克服。

選用空間倒三角鋼管桁架，與平面桁架結構相比，平面外剛度大，提供了側向穩定性和抗扭轉剛度，增加屋面的整體剛度，并減少側向支撐構件;此外桁架桿件主要承受軸向荷載而管截面受壓時鋼材利用效率最高，管截面桁架比其它非管截面桁架要輕。

通過對比，雙坡屋面比單坡屋面更能充分利用桿件的強度，節省鋼材，本文中我們只考慮采用雙坡屋面。要實現雙坡管桁架立面形狀有兩種作法：一種為梭形倒三角管桁架，另一種為平行弦倒三角管桁架。

我們先從這兩種形式管桁架中挑出最優方案，再與其余型式的屋架進行對比。

（一）梭形倒三角管桁架夾角的變化對結果的影響：

建立兩個模型，兩腹桿平面夾角分別為45度與60度，計算結果如下（撓度允許值為L/400=26300/400=65.75mm）：

對比如上結果可以看出：夾角變化對上下弦桿內力沒有影響，僅是腹桿稍有變化，夾角變小，腹桿應力會小一些。從而選擇45度角梭形屋架則會更為合理。但是角度不能太小，因為角度太小，上弦間距就會太小，這樣就體現不出管桁架的平面外剛度大的優勢，建議不能小于45度角。

（二）梭形倒三角管桁架與平行上弦倒三角管桁架比較：

基于上一條的結論，上下弦受力基本一致，角度越小腹桿受力越小，我們在進行對比時，選取平行弦上弦間距為2100，這樣平行弦倒三角管桁架所有腹桿夾角均在45度附近。（撓度允許值為L/400=26700/400=65.75mm）

對比上表結果，平行弦屋架與45度角梭形管桁架所有桿件強度基本一致，但是撓度卻相差甚多。

綜合以上分析可以得出結論：45度角梭形倒三角管桁架為最優結構形式。

另附上針對本工程用STAAD PRO空間軟件計算出的倒三角形空間管桁架模型的應力圖及位移圖分別見圖1、圖2。

2.4 ?三種屋面結構體系技術經濟比較見表4、表5。

從上表分析可以看出，梯形鋼屋架有檁體系及實腹鋼梁有檁體系用鋼量相當，而空間倒三角鋼管桁架有檁體系比以上二者少出約22%的用鋼量;其中由于檁條計算跨度變小檁條用鋼量減少10%左右，加上空間倒三角鋼管桁架支撐系統主要是垂直支撐以及少量的水平支撐，所以可以節省大量鋼材。另外，管桁架與網架相比，網架單位投影面積用鋼量為38kg/m，總造價為156.6萬元，兩者造價相差不大，加之網架結構存在施工質量不太容易保證，制造、安裝比較混亂，常常產生一些不可控因素，造成事故隱患等缺點。綜合考慮技術、經濟兩方面，空間倒三角鋼管桁架具有很強的綜合優勢。

3?結論

綜上所述，對于屋面的材料選型，復合壓型鋼板輕型屋面可以實現屋面板結構強度與建筑保溫、防水的統一，屋面板具有耐久性能卓越、自重較輕等優勢。

對于屋蓋結構形式，從設計、施工、造價等技術經濟比較可知，空間管結構桁架有檁體系具有結構合理、自重輕、防腐蝕性能好、安裝方便等優勢;另外也進行了建筑效果的優化，屋面通風系統放在屋架上使得廠房屋面簡潔、美觀、通透。

因此，本工程汽機房屋蓋推薦采用復合（保溫）壓型鋼板輕型屋面+空間倒三角鋼管桁架有檁體系加支撐屋面結構型式。

隨著經濟的發展，空間倒三角鋼管桁架已應用于許多領域，比如大型的體育館、飛機場的航站樓、火車站候車廳等。