薄壁離心鋼管混凝土在電廠綜合管架中的應(yīng)用

毛 維 （浙江省電力設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310012）

0 前 言

薄壁離心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)是一種由薄壁鋼管內(nèi)澆筑混凝土經(jīng)離心成型的空心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，是一種新型的鋼—混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)，它不但可充分發(fā)揮鋼和混凝土兩種材料物理力學(xué)特性，又可克服這兩種材料在各自單獨(dú)使用時(shí)的弱點(diǎn)，這種結(jié)構(gòu)以前主要應(yīng)用于發(fā)電廠和變電所屋外配電裝置的構(gòu)件和設(shè)備支架。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，600MW、1000MW機(jī)組火力發(fā)電廠的廠區(qū)綜合管架支柱也越來(lái)越多的采用薄壁離心鋼管混凝土。本文就薄壁離心鋼管混凝土在電廠廠區(qū)綜合管架設(shè)計(jì)中遇到的一些問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)探討，作為今后的工程設(shè)計(jì)參考。

1 設(shè)計(jì)情況

1.1 工程概況

某電廠工程規(guī)劃裝機(jī)容量2×1000MW 國(guó)產(chǎn)亞臨界機(jī)組，廠區(qū)綜合管架柱采用薄壁離心鋼管混凝土，廠區(qū)綜合管架長(zhǎng)度近1200m。由于綜合管架所經(jīng)過(guò)的路線長(zhǎng)，地下管線及設(shè)施布置復(fù)雜，廠區(qū)道路縱橫交錯(cuò)，工藝專(zhuān)業(yè)管道眾多，并且管與管、管與溝、溝與溝之間的相互交叉給設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難，管道支吊點(diǎn)設(shè)置要求多、管道荷載較大等也給管架結(jié)構(gòu)布置帶來(lái)了較大的困難。

1.2 結(jié)構(gòu)布置

管架上部結(jié)構(gòu)體系：橫向?yàn)殇摿号c薄壁離心鋼管混凝土柱剛接框架結(jié)構(gòu)，縱向連梁為鉸接鋼梁或鋼桁架+垂直支撐。管架橫向跨度3～5m不等，一般分為2層，高度分別為5.60m、7.60m，個(gè)別管架有3層。管架縱向間距一般6～9m左右，因跨越道路、循環(huán)水管及地下設(shè)施要求，需設(shè)置15～34m不同跨度的桁架。參照以往工程及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》8.1.5條規(guī)定，管架長(zhǎng)度100m左右設(shè)一道伸縮縫。間距6m左右的管架橫向結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)附圖1。一側(cè)有桁架的管架，考慮到荷載相對(duì)較大，為提高管架支柱的承載力及結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，增加了柱間垂直支撐，橫向結(jié)構(gòu)布置見(jiàn)附圖2；考慮到除灰，工藝專(zhuān)業(yè)管道有較大的縱向水平荷載及提高縱向結(jié)構(gòu)體系的側(cè)向剛度，在縱向長(zhǎng)度大約1/3處設(shè)置柱間垂直支撐，且盡量靠近縱向水平荷載位置，減少傳力路徑。

圖1

圖2

1.3 構(gòu)件設(shè)計(jì)

1.3.1 設(shè)計(jì)原則和要求

設(shè)計(jì)主要依據(jù)《薄壁離心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》。

1.3.2 材料

根據(jù)管架荷載和高度要求，管架支柱初步選用薄壁離心鋼管混凝土（φ300×5-30）、（φ350×5-30）兩種類(lèi)型，鋼管采用螺旋焊接管，離心混凝土采用普通C40混凝土；梁、支撐采用鋼結(jié)構(gòu)，鋼材均采用Q235B。

1.3.3 荷載及荷載效應(yīng)組合

恒荷載：管道、內(nèi)襯、保溫層的結(jié)構(gòu)自重，管道內(nèi)介質(zhì)自重，管架自重，預(yù)留管道荷載。

活荷載：管道溫度變化產(chǎn)生的橫向和縱向水平力。

風(fēng)荷載：風(fēng)荷載計(jì)算根據(jù)《土規(guī)》附錄F。

地震作用：根據(jù)《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》9.9條規(guī)定，不進(jìn)行抗震驗(yàn)算，但按6度抗震構(gòu)造措施設(shè)計(jì)。

荷載效應(yīng)組合采用《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，活荷載、風(fēng)荷載的組合系數(shù)值取0.85。

1.3.4 承載力、變形計(jì)算

1.3.4.1 管架結(jié)構(gòu)按彈性體系計(jì)算內(nèi)力

管架可以簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)分析。由于管架柱是鋼—混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)，而PKPM程序中沒(méi)有這種構(gòu)件截面類(lèi)型，如何模擬管架柱的剛度就成為結(jié)構(gòu)分析的關(guān)鍵。而STAAD/PRO有限元程序可以把構(gòu)件定義為一般截面，只要輸入其中幾個(gè)截面參數(shù)，比如：截面積、慣性矩等及材料特性就能模擬構(gòu)件的剛度，從而可以分析結(jié)構(gòu)。計(jì)算出管架柱的綜合剛度，綜合剛度可按下式計(jì)算：

式中：As、Is—分別為鋼管的截面面積和對(duì)其重心軸的慣性矩

Ac、Ic—分別為混凝土管柱的截面面積和對(duì)其重心軸的慣性矩

Es、Ec—分別為鋼材和混凝土的彈性模量

把它的材料特性定義為鋼材，并按其綜合剛度折算，計(jì)算出構(gòu)件截面的面積、慣性矩等參數(shù)。這樣就解決了管架柱剛度如何模擬的問(wèn)題。所以結(jié)構(gòu)分析采用STAAD/PRO有限元程序。取其中有代表性的橫向管架兩榀，結(jié)構(gòu)布置分別見(jiàn)圖1、圖2。通過(guò)STAAD/PRO有限元程序建模，梁、柱、支撐都是桿單元，其中把柱定義為一般截面，材料特性定義為鋼材，并按其綜合剛度折算，輸入截面的面積、慣性矩，梁、支撐按實(shí)際截面材料特性輸入，再輸入各個(gè)荷載工況。通過(guò)結(jié)構(gòu)分析，得出每個(gè)構(gòu)件的各個(gè)荷載工況及組合荷載工況的內(nèi)力及結(jié)構(gòu)的變形。

1.3.4.2 強(qiáng)度和變形計(jì)算

管架柱分別按偏心受壓、偏心受拉、受彎構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比限值按文獻(xiàn)[1]3.0.5～3.0.6條規(guī)定偏保守的取120。承載力按文獻(xiàn)[1]4.1條規(guī)定計(jì)算，偏心受壓構(gòu)件的極限承載力設(shè)計(jì)值可按下式計(jì)算：

式中：Nμ—偏心受壓柱的極限承載力設(shè)計(jì)值

φL—考慮長(zhǎng)細(xì)比影響的承載力折減系數(shù)

φe—考慮偏心率影響的承載力折減系數(shù)

N—設(shè)計(jì)軸壓力

No—軸心受壓短柱的極限承載力設(shè)計(jì)值

Ac、As—分別為混凝土和鋼管的截面面積

提出了對(duì)粉碎后的垃圾進(jìn)行收集綜合利用的方法來(lái)處理餐廚垃圾的建議，從而達(dá)到循環(huán)利用、變廢為寶，通過(guò)末端收集裝置把粉碎后的餐廚垃圾制作有機(jī)肥料。

Fc、Fs—分別為混凝土和鋼管的抗壓設(shè)計(jì)值

偏心受拉構(gòu)件的極限承載力設(shè)計(jì)值可按下式計(jì)算：

式中：Nt—偏心受拉構(gòu)件的極限承載力設(shè)計(jì)值

N—設(shè)計(jì)軸拉力

φ—構(gòu)件的含鋼特征值，φ=AsFs+1.3AcFc

εo—構(gòu)件的偏心率，εo=eor

r—鋼管截面的外半徑

受彎構(gòu)件的極限承載力設(shè)計(jì)值可按下式計(jì)算：

式中：Mμ—受彎構(gòu)件的極限承載力設(shè)計(jì)值

M—設(shè)計(jì)彎距

其中構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)如何取值很關(guān)鍵，文獻(xiàn)[1]4.1.7條規(guī)定應(yīng)按有關(guān)規(guī)范和專(zhuān)業(yè)技術(shù)規(guī)定取用，參照文獻(xiàn)[1]條文說(shuō)明4.1.7～4.1.9條，比較《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的附錄D與《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工規(guī)程》（JCJ01—89）中附表4、5，柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)取值是一樣的，因此計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017—2003）附錄D中規(guī)定取值，等效計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)偏保守的取K=1。通過(guò)計(jì)算分析得出薄壁離心鋼管混凝土柱（300x5—30）、（350x5—30）的設(shè)計(jì)軸拉力N與偏心受拉極限承載力設(shè)計(jì)值NT比值，設(shè)計(jì)彎距M與受彎構(gòu)件極限承載力設(shè)計(jì)比值更小，均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

管架在正常使用階段變形限值按文獻(xiàn)[1]5.0.1條，規(guī)定應(yīng)按有關(guān)規(guī)范和專(zhuān)業(yè)技術(shù)規(guī)定取用。比較《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的附錄A與《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工規(guī)程》（JCJ01—89）中表3.2.3-1、表3.2.3-2中規(guī)定，多層框架的變形限值取值是一樣的。后者增加了框架—斜撐結(jié)構(gòu)型式的變形限值。因此管架的側(cè)向變形限值按《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工規(guī)程》（JCJ01—89）中表3.2.3—1、表3.2.3—2中規(guī)定，即風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，多層框架層間相對(duì)位移限值為H/400，柱頂位移限值為H/500；框架—斜撐層間相對(duì)位移限值為H/600，柱頂位移限值為H/800。通過(guò)STAAD/PRO有限元程序分析，管架層間相對(duì)位移柱頂位移均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

鋼梁、柱間支撐等鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定驗(yàn)算通過(guò)STAAD/PRO有限元程序完成，并滿(mǎn)足規(guī)范要求。

1.4 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

①根據(jù)文獻(xiàn)[1]6.1.1條規(guī)定：a.節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度要大于母體強(qiáng)度，并留有一定的裕度及滿(mǎn)足剛度要求；b.構(gòu)筑力求簡(jiǎn)單，傳力明確，整體性好，要使鋼管和混凝土管能共同工作。

②管架柱與鋼架、鋼支撐的連接均采用焊縫連接，因?qū)^薄鋼板，焊縫強(qiáng)度不能達(dá)到與母材等強(qiáng)度要求，故連接設(shè)計(jì)中均增加10mm外襯管。

③柱與基礎(chǔ)的連接方式采用杯口插入式，杯口基礎(chǔ)的尺寸、配筋及柱與杯口基礎(chǔ)的連接等要求，需滿(mǎn)足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)第8.2.5條。插入杯口的深度除滿(mǎn)足文獻(xiàn)[1]6.4條計(jì)算要求外，并不得小于1.5D。鋼管柱基礎(chǔ)還應(yīng)高出地面100mm以上。

2 小 結(jié)

①薄壁離心鋼管混凝土在電廠綜合管架中的應(yīng)用在設(shè)計(jì)中要考慮以下一些問(wèn)題：合理的布置結(jié)構(gòu)；如何模擬管架柱的剛度；管架柱的計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)；管架在正常使用階段變形限值如何取值；節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的構(gòu)造要求。

②工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用表明，薄壁離心鋼管混凝土作為一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，在節(jié)省鋼材、水泥以及降低工程造價(jià)方面具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，且設(shè)計(jì)理論日益成熟，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]DL/T5030—1996,薄壁離心鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國(guó)電力出版社,1996。

[2]DL5022—2012,火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京:中國(guó)電力出版社,2012.

[3]GB50017—2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2003.

[4]CECS28：90，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工規(guī)程[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,1990.