汽机房钢屋架计算模型分析

叶葱葱 陈寿标

汽机房钢屋架计算模型分析

叶葱葱 陈寿标

(福建省电力勘测设计院 福建福州 350001)

以往对汽机房钢屋架的计算多采用PKPM的STS模块进行平面简化模型计算，将屋架支座简化为两端铰接支座，该模型并没有考虑钢桁架下弦杆弹性伸长对屋架内力的影响，在设计上会导致屋架下弦杆实际受拉超过计算受力，产生安全隐患。文章采用STAAD软件将主厂房的钢屋架和两侧框排架柱整体建模计算，指出钢屋架支座实际刚度对屋架内力的影响，并根据整体计算的结果提出更合适的简化计算模型，以正确选择电厂钢屋架的计算模型，保证屋架结构的安全可靠，而且推进了STAAD软件在复杂混凝土结构设计方面的应用。

汽机房钢屋架;平行弦屋架;支座位移

1 工程概况

该工程为福建华电邵武电厂三期2X660MW机组工程，主厂房横向结构为A、B、C、D列四列式布置，A～B列为汽机房(跨度30.6m)，B～C列为除氧间(跨度9m)，C～D列为煤仓间(跨度12m)；纵向框架结构共18跨，柱距为10m，两台机组间设一道伸缩缝，插入距为1.2m，使两机各自成为独立结构体系。

主厂房的横向结构体系为现浇钢筋混凝土框排架：由汽机房外侧A排柱、汽机房钢屋架、除氧煤仓间双框架组成。主厂房纵向结构体系为现浇钢筋混凝土框架，由各列砼柱与纵粱组成。

该工程基本风压0.3kN/m2,基本雪压0.35kN/m2，地面粗糙度类别为B类；抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为Ⅱ类[1]；主厂房抗震设防类别为乙类，结构抗震等级为二级。

汽机房屋面结构采用钢屋架、钢檩条、压型钢板作底模、现浇钢筋混凝土屋面板的结构，如图1所示。该屋架采用平行弦钢屋架，柱距10.0m，跨度为30.6m，屋面坡度为5%，屋架制作时按L/500起拱，屋架杆件采用双角钢。屋面结构设计活荷载标准值为1kN/m2。根据《火力发电厂土建结构设计技术规程》(DL5022-2012)该工程钢屋架跨度不大于36m时，屋架设计不考虑温度作用[2]。

图1 汽机房钢屋架

2 原有计算模型

传统的钢结构屋架计算一般采用PKPM中的STS模块进行平面简化模型计算。在平面模型中，计算时假定全部构件均为轴心受力构件，结构所受荷载均简化作用在桁架节点上。

汽机房屋架是通过在两侧A、B列柱悬挑牛腿上分别预埋2根直径36mm螺栓连接，因此原有的设计模型中将钢屋架的两端均假定为铰接支座。设计过程中，通过对比分析，发现屋架计算模型中支座模拟的差异会导致计算结果发生明显的区别：

(1)将两端模拟成铰接支座。

(2)将屋架一端设置为铰接支座，另一端设置成滑动支座。

从计算结果中发现，在相同结构，仅考虑屋面竖向荷载(1.2D+1.4L)的情况下，不同的支座模拟形式会导致内力的不同，进而导致杆件应力的差别。在铰接模型计算应力合格的下弦杆，在滑动模型中出现了应力超标的情况。

现有图集中将钢屋架按只受上、下弦节点荷载的铰接桁架计算，未考虑排架计算中厂房柱作用影响。图集中也同时注明选用者应该根据具体情况对屋架下弦杆截面进行验算[3]。

因此准确分析钢屋架实际受力，正确选择计算模型对于计算分析杆件内力，保证结构安全可靠具有重要的意义。

3 STAAD软件的优势

本文中采用STAAD软件进行整体结构计算分析。 STAAD软件在中国的应用主要集中在复杂工业建、构筑物中。在钢筋混凝土结构设计方面，我院已成功运用于输煤栈桥、混凝土灰库、水工水池、圆形煤场和烟囱等电厂建构筑物中，取得良好的设计成果。

STAAD软件与广泛应用于民用建筑的PKPM设计软件相比[4]，其较明显的优势体现在：STAAD整体建模计算，能有效、真实模拟结构的受力情况，精确进行内力计算，在满足规范、保证安全的前提下，优化构件截面，节约工程造价。

4 STAAD的计算分析

在STAAD模型中通过模型对比,如图2所示，分析两端支座刚度对钢屋架受力影响，并将主厂房A排柱、钢屋架和除氧煤仓间的双框架均按施工图的截面尺寸建模，进行整体计算。

①

②

③图2 不同支座刚度的计算模型

模型①为钢屋架两端单柱模型，模型②为两端弱框架，模型③为两端强框架。计算结果对比分析，如表1所示。由表1可以看出，模型①中两侧单柱刚度不足，对屋架的约束作用较弱，屋架下弦杆受力大小与上弦杆相当。并且，随着支座刚度的加大，屋架下弦杆受力减小，趋近于两端铰接模型计算结果 。因此设计中不能简单套用钢屋架图集，应根据支座实际情况对其进行复核。

表1 不同支座模型计算结果

对于燃煤电厂钢屋架，通过不同模型，如图3所示，计算结果对比，来选择适合的简化计算模型：模型(a)为两端铰接模型，模型(b)为一端铰接、一端滑动模型，模型(c)为框排架整体模型。

(a)

(b)

(c)图3 各计算模型轴力图

模型A端位移(mm)B端位移(mm)上弦杆最大轴力(kN)下弦杆最大轴力(kN)下弦杆端部轴力(kN)(a)00-2078kN673kN-980kN(b)17mm0-2079kN2056kN414kN(c)16mm1mm-2075kN2042kN403kN

由表2可以看出，在相同竖向荷载作用下，模型(a)计算的下弦杆拉力明显偏小，而且下弦杆两端杆件为受压，与实际受力不符。模型(b)与模型(c)计算的杆件拉压性质相同，轴力大小相当，位移计算结果(1.0D+1.0L)也大致相同。

燃煤电厂主厂房框排架结构中B～D轴双框架的刚度要比A排柱的刚度大很多。在屋面荷载及屋架自重荷载作用下，钢屋架上弦钢受压，下弦钢受拉。

汽机房A排柱高度达30m,其抗侧刚度不足，对屋架的侧向约束不够，在屋架与A排柱连接处产生明显的水平位移，如图4所示。

图4 整体结构变形图

对于汽机房的钢屋架，其实际模型的计算结果相当于一端铰接、一端滑动的简化计算模型。根据该模型计算结果，屋架下弦杆的受拉力与屋架上弦杆所受压力大致相当，因此本工程设计中将下弦钢采用与上弦钢相同截面的角钢。

5 结论

(1)现有钢屋架图集均按两端铰接计算，并且图集中钢屋架下弦杆截面比上弦杆小一号。而实际工程中，当支座刚度较弱无法达到两端铰接的效果时，钢屋架下弦杆件的受力可能与上弦杆差不多，这种情况下直接套用钢屋架图集存在安全隐患。

(2)对于钢屋架结构，设计中应考虑支座刚度对计算结果的影响，采用整体建模计算分析。

(3)对于燃煤电厂钢屋架结构支座简化为两端铰接，将导致钢桁架下弦钢计算受力比实际受力小，设计时可能下弦杆截面不足。A排柱刚度比B～D框架刚度小很多，钢屋架实际计算中可以简化为一端铰接，一端滑动的简化模型。

[1] 肖世祥,林敏,陈东乾.福建华电邵武电厂三期工程岩土工程勘察报告[R].福州: 福建省电力勘测设计院，2015.

[2] DL5022-2012 火力发电厂土建结构技术规程设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.

[3] 08SG510-1 国家标准图集《轻型屋面平行弦钢屋架》[S].北京：中国建筑标准设计研究院，2008.

[4] 叶葱葱.STAAD软件二次开发在栈桥整体计算中的应用[J].福建建筑，2016(02):106-108.

Calculation model analysis of steel roof truss of turbine hall

YECongcongCHENShoubiao

(Fujian Electric power survey & Design Institute，Fuzhou 350001)

STS module of PKPM software is usually used in the calculation of the steel roof truss of turbine hall with the simplified plane analysis model.The model ,in which the support of roof truss is simplified to two end hinged support,does not consider the changes of the internal force of the roof truss because of the elastic elongation of the bottom chord of the steel truss.Security risks will happen because the actual tensile force of the buttom chord of roof truss may exceed the calculated force.In this paper,the STAAD software is used to calculate both the steel roof truss and the two-side frame columns of the main building,and to point out the influence to the internal forces of the roof trusses due to the actual stiffness of the steel truss supports.A more suitable simplified calculation model of stell roof truss is proposed according to the whole calculation results.The study can improve the method of calculation of stell roof truss to ensure the safety and reliability of the roof truss structure,as well as promote the use of STAAD software in the design of complex concrete structure.

Steel roof truss of turbine hall;Parallel chord truss;Support displacement

叶葱葱(1983.12- )，男，工程师。

E-mail:610766441@qq.com

2017-01-12

TU318

B

1004-6135(2017)04-0031-03