某水電站廠房屋架方案的比較選擇

摘 要：在水電站的設(shè)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(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，對于制造、安裝質(zhì)量和施工進(jìn)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(qiáng)度和抗震性能、經(jīng)濟(jì)效益、施工安排和施工進(jìn)度等方面比較了空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)兩種方案，綜合分析了兩者之間的優(yōu)劣，并最終確定選用空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，節(jié)約了項目成本、加快了項目施工進(jìn)度。

關(guān)鍵詞：屋架；空間網(wǎng)架；預(yù)應(yīng)力混凝土梁

前言

中東地區(qū)在建的某水電站EPC項目，為引水式電站，總裝機(jī)容量為460MW（包括兩臺225MW的立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組和兩臺5MW的臥式混流式水輪發(fā)電機(jī)組）。該項目位于地震多發(fā)區(qū)，廠房設(shè)計中的設(shè)計基準(zhǔn)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(shè)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(jié)構(gòu)和要求、制造和安裝方法等。因此，需要綜合分析經(jīng)濟(jì)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(shè)計過程中，初步選擇空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)兩種屋架方案。經(jīng)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(chǔ)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(jìn)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(wǎng)架結(jié)構(gòu)

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的平面尺寸為100.5m×28.0m（長×寬），結(jié)構(gòu)型式為高強(qiáng)螺栓球節(jié)點正方四角錐網(wǎng)架。空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)部件主要承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力?？臻g網(wǎng)架屋頂通過兩條傾斜度為5°的斜坡進(jìn)行排水，雨水由斜坡排進(jìn)天溝，然后經(jīng)由雨水管流進(jìn)地面排水渠?？臻g網(wǎng)架屋頂?shù)脑O(shè)計使用壽命為50年。

1.2 預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)

該項目廠房跨度大約28m，如使用混凝土梁結(jié)構(gòu)，屋架的自重就相當(dāng)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(jī)組安裝，而且，混凝土也易產(chǎn)生裂縫。因此，需要采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁。預(yù)應(yīng)力梁的截面尺寸為1500mm×2000mm（長×寬），預(yù)應(yīng)力二期混凝土梁的截面尺寸為500mm×1000mm（長×寬）。采用預(yù)拉伸法來制作預(yù)應(yīng)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(chǎn)生一定的應(yīng)力后，才可對預(yù)拉伸的鋼筋進(jìn)行剪切或放松。鋼筋剪切后會產(chǎn)生彈性收縮，但由于鋼筋和混凝土間存在粘聚力，混凝土?xí)拗其摻畹氖湛s，于是混凝土內(nèi)就會產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。

2 受力和抗震性能分析比較

2.1 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

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

2.2 預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)

（1）由于拉伸工藝和材料特性的影響，安裝過程中預(yù)應(yīng)力將逐漸減小。（2）相比網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的自重非常大，結(jié)構(gòu)的承載能力較差、安全性較低。（3）項目位于高強(qiáng)地震區(qū)。預(yù)應(yīng)力梁的垂直剛度和橫向剛度的區(qū)別相當(dāng)大，整體剛度不均勻，屋頂?shù)恼w抗震性不好。而且，由于預(yù)應(yīng)力梁的自重太大，將導(dǎo)致垂直方向的地震力較大，梁體抗震性能低。[2]（4）如采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，每個桁架都是在一個平面內(nèi)局部受力。與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)效益分析比較

3.1 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

（1）與普通混凝土梁相比，空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可以充分使用高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)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(jié)構(gòu)中使用混凝土結(jié)構(gòu)創(chuàng)造更好的條件。（2）空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形態(tài)美觀，同時可以降低頂部高度。使用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，屋頂?shù)淖灾亟档?，整個屋頂更顯輕靈和美觀，形態(tài)也更加多樣。由于鋼桁架的使用增加了3/5～4/5，這種結(jié)構(gòu)能夠允許建筑物的跨度更大一些。

3.2 預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)

（1）與普通混凝土梁相比，預(yù)應(yīng)力梁桁架結(jié)構(gòu)同樣可以更充分地使用高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土。因此，鋼筋的用量降低、截面積減小，結(jié)構(gòu)自重也就降低，為在大跨度結(jié)構(gòu)中使用混凝土結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了更好地條件。（2）與空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相比，預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)制作周期長，鋼筋的消耗大，需要的人工多，操作也復(fù)雜，成本更高。

4 施工安排和進(jìn)度分析比較

4.1 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

（1）空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)制作質(zhì)量有保障，占地少，設(shè)計和制作可以標(biāo)準(zhǔn)化，網(wǎng)架及節(jié)點備品可以提前按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造。提前制造的網(wǎng)架構(gòu)件和節(jié)點備品重量輕，便于存儲、裝卸、運輸和安裝。標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)可以有效提高制造質(zhì)量。螺栓連接方式可以加快安裝進(jìn)度并減少工地現(xiàn)場施工時間。（2）網(wǎng)架屋頂結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕。因此，不需要大容量的起重設(shè)備來進(jìn)行安裝。工地上的常規(guī)塔吊即可滿足起吊和安裝的需求，施工極為方便。此外，網(wǎng)架屋頂結(jié)構(gòu)的施工周期僅有普通屋頂?shù)?/2～1/3。[3]（3）空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)需要由專業(yè)隊伍進(jìn)行安裝。

4.2 預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)

（1）預(yù)拉伸方法的優(yōu)勢在于制作程序簡單，對人工要求不高，便于保證施工質(zhì)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(chǎn)若干個部件。（2）該項目廠房跨度較大，一根預(yù)應(yīng)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(shè)備。采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)，對于施工設(shè)備的要求較高，且施工工藝也相對復(fù)雜。（3）預(yù)應(yīng)力梁的安裝和連接難度較大。因二期梁和屋面板在現(xiàn)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(yù)應(yīng)力梁桁架結(jié)構(gòu)，會嚴(yán)重影響土建施工和機(jī)電設(shè)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(wǎng)架結(jié)構(gòu)

空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)造型輕盈美觀，不需要吊頂，而且通風(fēng)良好。

5.2 預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)

（1）預(yù)應(yīng)力梁的抗裂性能較普通鋼筋混凝土要高，拓寬了混凝土結(jié)構(gòu)的使用范圍。（2）受力情況下，預(yù)應(yīng)力梁通常不會產(chǎn)生裂縫，耐用性強(qiáng)、剛度大、變形小。

6 結(jié)束語

綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、美觀性、施工安排、整體剛度、抗震性能，預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)的安裝需要而配備100t以上的起重設(shè)備、施工困難，而且彎曲鋼筋的節(jié)點連接很難保證。因此，不推薦在該廠房屋架使用預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)方案。與預(yù)應(yīng)力混凝土梁相比，空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯，其剛度均勻、抗震性好、美觀、便于施工、施工周期短、設(shè)計接口少。因此，該項目廠房屋架最終選擇空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)方案。

參考文獻(xiàn)

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