某電廠消防泵房上部鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中部分問題的思考

曹宏智，田 楠，劉 鑫

（深圳中廣核工程設(shè)計有限公司，廣東 深圳 518029）

1 概述

某電廠消防泵房鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)廠房，設(shè)電動橋式吊車Gn＝40t、Gn＝25t各1臺。廠房整體結(jié)構(gòu)體系選型為框排架結(jié)構(gòu)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(gòu)件連接形成的一種空間結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(zhì)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(shè)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(jié)構(gòu)的相同點與不同點，如鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)中抗風(fēng)柱與屋架鉸接，本工程中抗風(fēng)柱與屋架采用傳統(tǒng)的彈簧片連接，和相對于參考電廠泵房鋼結(jié)構(gòu)中半門吊牛腿懸挑長度延伸后，鋼柱節(jié)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(guān)。剛架規(guī)范規(guī)定，剛架柱距宜為6m、7.5m、9m，最大可采用12m。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，隨著柱距的增大，剛架的用鋼量是逐漸下降的，但當(dāng)柱距增大到一定數(shù)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(gòu)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(yōu)柱距，表1列出在一般情況下不同跨度所對應(yīng)的最優(yōu)柱距：

表1

本工程鋼結(jié)構(gòu)的圍護結(jié)構(gòu)采用雙層壓型鋼板，柱距可不受模數(shù)限制，柱距選擇主要依據(jù)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(qū)根據(jù)工藝要求柱距11.72m，15軸柱由于承受屋面?zhèn)鱽砗奢d增大也相應(yīng)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(fēng)柱連接方式的選擇

抗風(fēng)柱的柱腳有剛接和鉸接兩種形式。鉸接時，基礎(chǔ)只承受較小的軸力、剪力，設(shè)計和構(gòu)造件簡單。剛接時，傳遞給基礎(chǔ)的彎矩和軸力則相對大得多，設(shè)計和構(gòu)造件也相對復(fù)雜。通常情況下，鉸接柱腳時基礎(chǔ)底面積僅為剛接時的40%左右，加上節(jié)點的構(gòu)造簡單，抗風(fēng)柱腳采用鉸接對設(shè)計、造價都有明顯的優(yōu)勢。本工程抗風(fēng)柱即采用鉸接形式的柱腳?？癸L(fēng)柱柱頂也有兩種連接方法。

圖1

3.1 抗風(fēng)柱柱頂與屋架通過彈簧片來連接

彈簧片豎向剛度較弱，節(jié)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(fēng)柱柱頂與屋架鉸接或剛接

此時，屋面荷載由剛架及抗風(fēng)柱共同承擔(dān)，抗風(fēng)柱為壓彎構(gòu)件，截面尺寸較大，同時屋面梁的變形對它產(chǎn)生不利影響，反之抗風(fēng)柱也會造成屋面梁的變形不協(xié)調(diào)，使之承受扭矩，不利于梁的穩(wěn)定。對于抗風(fēng)柱來說，則同時承擔(dān)豎向荷載和風(fēng)荷載。

本工程16軸邊框架上，承受了11.72m跨度的PS區(qū)屋面荷載的一半，邊框架承受的屋面荷載已經(jīng)接近中框架承受的屋面荷載，為了避免增大抗風(fēng)柱的截面尺寸，使抗風(fēng)柱受力直接，傳力明確，在本工程的抗風(fēng)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(fēng)荷載。

4 半門吊牛腿懸挑尺寸延長后牛腿與鋼柱連接節(jié)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(dǎo)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(jù)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(dǎo)致在施工時將半門吊導(dǎo)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(jié)點域進行強度及穩(wěn)定性計算。

經(jīng)過計算后發(fā)現(xiàn)，半門吊車的吊車梁外移150mm后牛腿的抗彎、抗剪、整體穩(wěn)定性仍滿足要求，柱腹板節(jié)點域滿足抗剪要求，抗剪應(yīng)力比達到0.88（不移為0.71），比較靠近1.0；柱腹板節(jié)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(jié)點域做加強措施。最初加強方案為柱腹板節(jié)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(yīng)大于相連板件中較薄板件厚度的倍。但考到補強板的設(shè)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(jié)點域內(nèi)設(shè)置12mm厚的交叉斜向加勁肋，發(fā)揮其對柱腹板節(jié)點區(qū)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(jié)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(jié)構(gòu)中所占的比重較大，約占結(jié)構(gòu)用鋼量的1/5～1/3。設(shè)計時，應(yīng)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(yīng)綜合考慮天窗、采光帶、通風(fēng)屋脊、屋面材料、檁條規(guī)格等因素按計算確定，一般為等間距布置，但在屋脊處應(yīng)沿屋脊兩側(cè)各布置一道，在天溝附近布置一道。

隅撐的設(shè)置是用來保證梁的下翼緣受壓部分的局部穩(wěn)定。本工程中屋架上弦的局部穩(wěn)定由與之連接的檁條保證，這樣在根據(jù)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(shè)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(fēng)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(fēng)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(wěn)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(jié)構(gòu)中屋面隅撐均為全跨通設(shè)。

6 結(jié)論

在進行本消防泵房上部鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中要保證整個結(jié)構(gòu)在縱向構(gòu)件、支撐和圍護結(jié)構(gòu)的聯(lián)系下形成空間的穩(wěn)定體系，只有保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，才能承擔(dān)各種荷載和其他效應(yīng)。設(shè)計必須體現(xiàn)計算假定與結(jié)構(gòu)構(gòu)造的一致性。還應(yīng)明確各類外力從作用點到基礎(chǔ)的傳遞路徑和傳遞全過程中產(chǎn)生的效應(yīng)。每一項設(shè)計都需要能夠正確運用和執(zhí)行本專業(yè)的有關(guān)技術(shù)標準、規(guī)范、導(dǎo)則和規(guī)程，并根據(jù)工程的實際情況靈活運用所掌握的專業(yè)知識進行設(shè)計。

[1]GB50017-2003 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2]鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊（上冊）[M].3版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3]GB50009-2001 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[4]李承漢，徐琪華，姜學(xué)宜，樂嘉龍.新編輕鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計實用手冊[M].北京：中國電力出版社，2007.