主厂房钢结构体系优化设计研究

孙亮

【摘  要】随着工程技术突飞猛进的发展，对电力的需求量越来越大，火力发电厂的装机容量不断增大，导致主厂房体型、荷载越来越大。主厂房作为发电厂中最重要的建筑，它的材料选用、结构选型和计算手段以及设计构造直接关系到发电厂的合理性、经济性等。钢结构具有重量轻、强度高、塑性和韧性好、工业化程度高、施工速度快等优点。由于钢结构重量轻，地震产生的地震作用力相对较小，以及钢材的塑性和韧性好、具有较强的变形协调能力等突出优点，对建造于高烈度地震区且场地条件恶劣的主厂房，钢结构也被越来越多的采用。

【关键词】主厂房钢结构;设计优化分析;主要受力体系

1 引言

本文分析了国内外电厂项目，通过技术经济比较，并总结和提炼了在设计过程中所做的相关研究，就钢结构体系优化提出了结论或建议，旨在使主厂房结构在安全性和经济性方面取得一个平衡，为以后工程设计及投标提供技术支撑。

2 设计优化分析

2.1 钢材

工程中主厂房采用何种钢材，是与结构构件所承受的荷载大小息息相关的。荷载较小或地震烈度低时，用Q235B即可滿足设计要求，并获得较好的经济性，工艺荷载较大或地震烈度高时，低强度钢材已经不能满足设计要求，或者使用低强度钢材将不得不加大构件断面，从而增加用钢量，这时，采用高强度钢材可在满足设计要求的同时取得较好的经济性。西方先进国家如日本、欧美等使用高强度钢材比较普遍;而我国以前较少使用高强度钢材，目前一般工程中也是主厂房框架部分较多采用Q345B钢材，更高强度等级的钢材实际工程中较少采用，因为对有抗震要求的框架梁柱来说，我国规范对板件的宽厚比、高厚比、长细比等有严格要求，采用更高强度等级的钢材并不一定经济。

2.2 梁、柱断面形式

由于目前主厂房普遍采用横向框架承重体系，且横向楼层较高，而纵向可以设置联系梁来减小柱子的纵向长度，所以柱子一般采用焊接H型钢断面，强轴位于横向平面内，弱轴位于纵向平面内，这样可以使两个方向的稳定应力比较接近。

2.3 主要受力体系

在主厂房结构设计中，柱网布置、汽机房屋盖系统、抗侧移体系（垂直支撑的类型及布置）、柱脚等因素占有重要的地位，与之相关的其他部分则应与其共同配合、相互协调。

2.3.1 柱网布置

主厂房柱网布置，即柱的排列和柱距，是结构设计中重要的影响因素。

我国火电厂主厂房柱的布置通常做法是采用相等柱距、对齐排列的方式，日本、前苏联（俄罗斯）、法国等亦多如此。

美国火电厂主厂房设计一般为不等柱距，如汽机房有时可多达8种柱距，因为他们认为如此布置可使工艺布置紧凑合理，而构件种类的增多仅表现在加工放样图的构件长度尺寸上有所变化。美国、德国等设计认为：当主厂房纵向柱距大于或等于10米时，构件截面将由挠度控制，因而是不经济的，故美国设计的主厂房纵向柱距通常为9米左右。

从我国的情况及钢结构本身的特点来看，主厂房柱的布置采用相等柱距、对齐排列的方式是适宜的，可使主要构件达到经济合理和标准化、系列化，有助于加快设计进度和提高设计质量，同时也降低了制作和安装的工作量。

主厂房横向跨度的选取，原则是在满足工艺布置要求的情况下，尽量减小跨度。

2.3.2 汽机房屋盖体系

汽机房屋盖体系主要有两种：一种是屋面大梁形式，屋面梁采用焊接H型钢截面，梁与框架柱采用刚接连接，汽机房屋面双向找坡，形成一个矢高较小的拱，以减小跨中挠度，屋面采用钢筋混凝土现浇板;一种是采用钢屋架，屋架的上弦与下弦平面内设置水平支撑，形成空间结构体系，屋面采用轻型封闭。

这两种屋盖体系均在工程中广泛使用，各有优缺点。屋面大梁形式简单，外观简洁明了，有些业主认为该种方式较为美观;钢屋架形式由于屋架上弦和下弦平面内都布置了水平支撑，且钢屋架本身看起来杆件较多较复杂。从设计施工方便性来说，屋面大梁形式较钢屋架形式方便，加工制作简单，安装起来也方便。不过，由于屋面大梁形式采用的是实腹式截面，用钢量较钢屋架多，经济性较差。实际工程中采用何种汽机房屋盖形式，需综合各方面因素确定。

2.3.3 抗侧移体系

主厂房结构的抗侧移体系分横向和纵向，主厂房横向主要有刚接框架、铰接框架加支撑、刚接框架加支撑体系;主厂房纵向目前世界各国普遍采用的是铰接框架加支撑体系。

刚接框架体系的长处在于柱间无支撑，便于工艺布置。缺点在于梁柱节点相对复杂，柱子截面较大;而且由于结构的侧向刚度较小，结构的变形相对较大。该结构体系仅适用于低烈度地震区。

铰接框架加支撑体系由于水平力由横向垂直支撑承受，框架主要承受垂直荷载，柱截面相对较小，梁柱连接节点相对简单，施工较方便，在主厂房纵向结构体系中普遍采用。

2.3.4 柱脚形式

主厂房钢柱柱脚与钢筋混凝土基础之间的连接可采用铰接、刚接或强轴刚接弱轴铰接，采用何种类型的柱脚形式，要与上部结构的抗侧移体系相匹配。

全铰接的柱脚，优点是柱脚没有弯矩，柱脚节点比较简单。印度的设计认为，全铰接的柱脚及基础可以做的相对经济，倾向于采用这种形式。不过，对基础来说，即使采用全铰接的柱脚，柱底的剪力对基底的附加弯矩仍很大，而基础大小通常由弯矩控制，与强轴刚接的柱脚相比，全铰接柱脚并没有多少经济优势。

2.4 支撑档数及合理布置

对主厂房纵向结构来说，一般一台机设置2档到3档支撑（2档支撑用的最多），2台机之间用伸缩缝分割成2个独立的结构单元。为了避免在温度变化时纵向构件内产生过大的温度应力，纵向支撑的设置位置宜在每个温度区段内的中央范围，但在实际工程中，特别是对于除氧煤仓间纵向结构，由于受到工艺布置限制，柱间支撑常对称布置或者偏置一边。

对主厂房横向来说，一般采用在部分横向轴系上设置支撑（通常是隔跨布置），通过楼屋面结构，传递水平力，形成一个较好的空间抗侧移体系;而在高烈度地震区可考虑每跨布置横向垂直支撑。

2.5 抗震措施、多道防线

大型火力发电厂主厂房，按《建筑工程抗震设防分类标准》为乙类建筑，抗震措施应提高一度采取。

主厂房纵向结构采用铰接框架加支撑体系，水平力主要靠支撑承担。纵向垂直支撑的布置应连续，并与基础可靠连接，保证纵向水平作用传至基础。

主厂房横向结构一般采用刚接框架，横向侧移刚度不够时增设垂直支撑，这些支撑和刚接的框架，起到了多道抗震防线的作用。

2.6 结构计算的主要控制指标

主厂房钢结构计算的主要指标有强度、稳定、挠度、长细比、截面的高厚比、宽厚比、纵横向侧移刚度（周期、位移）等。

强度计算是钢结构计算的最重要的内容，强度指标的控制水平将直接影响到钢材的用量。强度控制水平低，富裕度太大，將大大增加钢材的用量，增加成本;强度控制水平过高，用钢量减小了，但是，由于计算模型不能完全模拟整个设计周期内的实际情况，会降低结构的安全性。基于安全性和经济性的考虑，当构件截面为强度控制时，强度应力比宜控制在0.8～0.9，经多个工程验证，是较为合理的。

稳定计算是钢结构计算另一个重要内容，特别是柱子及支撑等构件，往往是稳定控制的。主厂房由于采用H型柱，两个方向回转半径差别很大，平面外的稳定往往是控制因素，通过在主厂房纵向设置一些连系梁，以减小柱子平面外的计算长度，可以有效减小柱平面外稳定应力，取得较好的效果。各层楼屋面的钢梁，因为有楼板约束，可不进行整体稳定计算，只对局部开大孔和无楼板约束的钢梁进行整体稳定核算。根据我院经验，当构件截面为整体稳定控制时，稳定应力比一般可取0.85-0.95。

挠度计算主要针对纵向框架梁和各层楼屋面钢次梁。对横向框架梁来说，由于其两端刚接，且是主要承重构件，一般截面都很大，挠度往往不是控制因素。而纵向框架梁与柱是铰接，当承受临近设备、管道传来的集中荷载时，挠度有可能很大，需引起重视。当梁截面由挠度控制时，挠度控制指标可以适当放松，可取规范规定的挠度限值的0.9-1.0倍左右。

长细比、高厚比、宽厚比这些都是构造要求，可适当放松，满足规范有关要求即可。

主厂房纵横向抗侧移刚度是结构整体计算的一个重要控制指标，结构布置合理、刚度分布合理的结构整体协调性好，抗震性能优越。抗侧移刚度的控制指标，一般计算不是以结构的绝对抗侧移刚度来体现，而是通过与刚度相关的周期、位移来体现。

3 结论、建议

通过以上分析，得到以下主要结论和建议：

（1）主厂房钢结构采用横向刚接、纵向铰接+支撑体系是适宜的。设计计算中应避免主厂房纵横向抗侧移刚度相差太大。

（2）主厂房钢结构的主框架部分宜采用Q345B钢材，楼面梁等可采用Q235B钢材。

（3）梁、柱及支撑构件一般可采用焊接H形截面;当竖向荷载特别大，或因工艺布置要求，梁、柱截面尺寸受到限制时，可采用箱形截面。

（4）主厂房柱网布置宜采用相等柱距、对齐排列的方式，纵向柱距以9米或10米为宜，横向跨度的选取应在满足工艺布置要求的情况下，尽量减小。

汽机房屋盖体系，可采用屋面钢梁和钢屋架，两种体系各有优缺点。

钢柱柱脚与钢筋混凝土基础之间的连接现普遍采用的强轴刚接弱轴铰接形式是可行的。

（5）支撑的设置要合理。对于主厂房纵向结构，支撑的设置应综合考虑结构强度、抗侧移刚度及水平和竖向刚度的分布等因素。一般宜设置2到3档支撑，且宜对称布置。

对主厂房横向结构来说，6～7度时，可在部分横向轴线上设置支撑（通常是隔跨布置），通过楼屋面结构的作用，传递水平力，形成一个较好的空间抗侧移体系。8度及以上时，宜每跨布置垂直支撑。

（6）结构计算的主要控制指标应合理。当构件截面为强度控制时，强度应力比宜控制在0.8～0.9;当构件截面为整体稳定控制时，稳定应力比一般可取0.85-0.95;当梁截面由挠度控制时，挠度可取规范规定的挠度限值的0.9-1.0倍左右;长细比、高厚比、宽厚比这些都是构造要求，满足规范要求即可。

参考文献：

[1]《钢结构设计规范》GB50017-2003

[2]《建筑抗震设计规范》GB50011-2001

[3]《火力发电厂设计技术规程》DL5000-94

[4]《火力发电厂土建结构设计技术规定》DL5022-93

[5]《火力发电厂主厂房荷载设计技术规定》DL5095-1999

[6]《建筑抗震设计手册》（第二版）龚思礼主编

[7]王勇强  高烈度区大型发电厂主厂房钢结构设计

[8]《钢结构的平面外稳定》第一版 童根树 著

[9]《钢结构稳定设计指南》第一版 陈绍蕃 著

（作者单位：西南电力设计院有限公司）