汽機房屋蓋鋼桁架和實腹梁結(jié)構(gòu)方案經(jīng)濟技術(shù)比較

李良

摘 要：汽機房屋蓋體系可以分為屋面板和屋蓋結(jié)構(gòu)2部分。常見的屋面板有復合壓型鋼板保溫輕型屋面板、壓型鋼板底模現(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，屋面板體系通常采用復合壓型鋼板保溫輕型屋面板。本文在確定屋面板體系為復合壓型鋼板保溫輕型屋面板的情況下，對屋蓋結(jié)構(gòu)方案——汽機房屋面鋼桁架結(jié)構(gòu)和實腹梁結(jié)構(gòu)2種方案進行經(jīng)濟技術(shù)比較。選取24 m、27 m這2種常用跨度的汽機房案例進行分析。結(jié)論為24 m跨度的汽機房屋面選擇實腹梁結(jié)構(gòu)方案更為經(jīng)濟和實用；27 m跨度的汽機房屋面，鋼桁架結(jié)構(gòu)方案在經(jīng)濟上略占優(yōu)勢。綜合考慮，仍應(yīng)采用實腹梁結(jié)構(gòu)方案。

關(guān)鍵詞：汽機房屋蓋；有限元分析；實腹梁；鋼桁架

中圖分類號：TU318 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.003

火力發(fā)電廠汽機房屋蓋系統(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，汽機房屋蓋系統(tǒng)還傳遞水平力。汽機房內(nèi)布置有火力發(fā)電廠的核心設(shè)備，例如汽輪發(fā)電機組、重要輔機設(shè)備等。為了保證電廠的穩(wěn)定、可靠運行，汽機房屋蓋應(yīng)作為重要結(jié)構(gòu)進行專門研究。在滿足安全、可靠的前提下，應(yīng)兼顧經(jīng)濟性、耐久性、抗震性、防火性等多種功能。

屋蓋本身是一個復雜系統(tǒng)，需建筑與結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)一致、相互配合，以達到屋面系統(tǒng)體系的整體優(yōu)化。本工程汽機房屋面面積比較大，對工程造價和工程進度影響大。

根據(jù)工程實踐經(jīng)驗，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)省工程造價為準則，對屋蓋結(jié)構(gòu)方案進行了詳細的技術(shù)經(jīng)濟分析。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)計與時俱進，進行創(chuàng)新和優(yōu)化，打造高質(zhì)量、低造價、低運行成本的設(shè)計。

1 2種結(jié)構(gòu)方案比較

1.1 實腹梁屋面結(jié)構(gòu)方案

近年來，實腹梁結(jié)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。一般認為跨度超過一定數(shù)值，實腹鋼梁結(jié)構(gòu)在技術(shù)上和經(jīng)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(jīng)濟性能較差。但隨著焊接變截面工字鋼的廣泛使用，這種結(jié)構(gòu)型式已越來越多地被人們所接受。它具有結(jié)構(gòu)簡單、傳力明確、拼接方便，加工、焊接工作量小等優(yōu)點。根據(jù)梁截面彎距包絡(luò)圖的形狀大小，可以設(shè)計成變截面的形式，以大量節(jié)省鋼材。對于屋脊處的拼接，常用高強螺栓加焊縫的混合連接方式，節(jié)點安全、可靠。為滿足剛度要求，可適當起拱。在同樣的屋內(nèi)凈空要求下，屋面標高可大大小于屋架及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，從而減少汽機房的高度，以實現(xiàn)減輕質(zhì)量、節(jié)約材料的目標。

1.2 鋼桁架屋面結(jié)構(gòu)方案

鋼桁架結(jié)構(gòu)為常用的汽機房屋蓋結(jié)構(gòu)型式，在國內(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)，只不過為了計算方便，設(shè)計計算時，簡化為平面結(jié)構(gòu)型式進行計算。它可根據(jù)建筑要求設(shè)計成單坡或雙坡形式。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。當采用復合壓型鋼板保溫輕型屋面板時，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，進而經(jīng)濟性受到影響。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)點多，焊接工作量大，桿件規(guī)格的品種多，施工吊裝時側(cè)向剛度弱，有時需另外設(shè)置臨時支撐系統(tǒng)。因鋼屋架屋面承載力大，設(shè)計、施工人員經(jīng)驗豐富，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為汽機房屋蓋結(jié)構(gòu)方案比較情況。

2 結(jié)構(gòu)實例

2.1 27 m跨度汽機房屋蓋結(jié)構(gòu)實例

2.1.1 設(shè)計條件概述

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

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

2.1.2 設(shè)計荷載

本工程采用輕鋼結(jié)構(gòu)屋面，屋面板采用雙層復合保溫彩鋼板，外板厚度不小于0.6 mm，超細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為實腹梁荷載簡圖，圖2為活載標準值簡圖，圖3為設(shè)備荷載標準值簡圖，圖4為風荷載標準值簡圖。

2.1.3 實腹梁計算（MIDAS）

2.1.3.1 實腹梁模型

實腹梁采用變截面，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軟件建立的實腹梁模型如圖5所示。

2.1.3.2 內(nèi)力分析

實腹梁單元彎矩包絡(luò)見圖6，彎矩最大值為2 945.0 kN·m。

實腹梁單元截面應(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鋼的強度設(shè)計值。

實腹梁在荷載標準組合下的撓度圖如圖8，梁截面撓度限值為L/400=67.5 mm，本工程撓度計算最大值為65.039 mm，小于67.5 mm，滿足設(shè)計要求。

2.1.3.3 實腹梁特性

實腹梁特性如表2所示。

2.1.4 鋼桁架計算（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跨度汽機房屋蓋結(jié)構(gòu)實例

2.2.1 設(shè)計條件概述

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

2.2.2 實腹梁和鋼桁架特性

設(shè)計荷載和相關(guān)分析過程同27 m跨度汽機房屋蓋結(jié)構(gòu)。

3 經(jīng)濟技術(shù)比較

在24 m跨度的汽機房屋蓋結(jié)構(gòu)中，由于鋼桁架結(jié)構(gòu)方案汽機房屋蓋比實腹梁結(jié)構(gòu)方案汽機房屋蓋增加了下弦支撐系統(tǒng)，導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，增加了汽機房的體量以及墻體維護的夾心鋼板的量為463.1 m2。從技經(jīng)方面比較，鋼材單價取6 000元/t，夾心鋼板取240元/t，實腹梁結(jié)構(gòu)方案節(jié)省造價約6萬元。

在27 m跨度的汽機房屋面中，由于實腹梁結(jié)構(gòu)方案汽機房屋面和鋼桁架結(jié)構(gòu)方案汽機房屋面均需要下弦支撐系統(tǒng)，而鋼桁架單榀（5.8 t）比實腹梁單梁（11.6 t）節(jié)省，因此實腹梁結(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)方案增加了汽機房的體量以及墻體維護的夾心鋼板的量為451.8 m2。單從技經(jīng)方面比較，鋼材單價取6 000元/t，夾心鋼板取240元/t，鋼桁架結(jié)構(gòu)方案節(jié)省造價約10萬元。

4 結(jié)束語

通過以上計算分析和比較，可以得出以下結(jié)論：①24 m跨度選擇實腹梁結(jié)構(gòu)方案，無論是從工程造價考慮，還是從結(jié)構(gòu)施工方面考慮，都是比較合理的。②在27 m跨度汽機屋蓋，鋼桁架結(jié)構(gòu)方案節(jié)省造價約為10萬元，相差很小。但由于實腹梁結(jié)構(gòu)方案施工周期短以及現(xiàn)場質(zhì)量易保證，綜合比較來看，在27 m跨度的汽機房屋面選用結(jié)構(gòu)方案時，傾向選擇實腹梁結(jié)構(gòu)方案。③綜上所述，在常規(guī)汽機房屋蓋結(jié)構(gòu)方案選擇時，對于不大于27 m跨度的汽機屋蓋，宜采用實腹梁結(jié)構(gòu)方案進行設(shè)計施工。

參考文獻

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

[2]夏宏君，張愛中.火力發(fā)電廠汽機房屋面網(wǎng)架與鋼屋架體系的綜合比較[J].武漢大學學報（工學版），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〕