某发电厂新建工程汽机房屋面结构设计

王卫红

摘要：对主厂房汽机房五种屋面形式进行了分析比较，本着“安全、经济、适用、美观”的原则，结合本工程情况推荐屋面形式采用复合（保温）压型钢板轻型屋面。并对三种屋架结构体系——梯形钢屋架、实腹钢梁、空间倒三角钢管桁架进行了技术经济比较，推荐空间倒三角钢管桁架有檩体系，与梯形钢屋架和实腹钢梁相比节省钢材分别为22%和24%，节省投资分别为50.4和57.4万元。

关键词：汽机房;屋面结构;结构选型

1 汽机房屋面材料选型

汽机房屋面形式目前多采用五种形式：A：复合（保温）压型钢板轻型屋面;B：压型钢板底模现浇混凝土板加卷材防水屋面;C：压型钢板底模+轻质陶粒混凝土现浇屋面;D：大型预制混凝土板加卷材防水屋面;E：大型预制轻型混凝土板卷材防水屋面。

通过对比，压型钢板底模现浇混凝土板加卷材防水屋面由于其自重过大使得屋架、柱的截面均需加大，主厂房整体结构的地震荷载也增大很多，对结构抗震不利。另外压型钢板底模现浇混凝土板加卷材防水屋面施工复杂，受天气等外部条件影响大，且须另作保温、防水层。

复合压型钢板轻型屋面的方案，是目前世界通行的轻型屋面材料，复合压型钢板可以达到屋面板结构强度与建筑保温、防水的统一，是一种先进的屋面板形式。以某中外合资公司的产品为例，不褪色的保质期达20年，而不发生锈蚀，保质期超过50年，屋面板耐久性能卓越、自重较轻等优势，所以该产品在发电厂建筑中有广泛的应用。由我院设计的分宜电厂二期、三期和贵溪电厂二期等很多工程均得到了成功应用。本工程推荐屋面复合压型钢板轻型屋面的方案。

2汽机房屋盖结构选型与分析

在工业建筑中， 尤其在火电厂汽机房屋盖中， 因受到多种因素的限制，目前火力发电厂汽机房屋面结构型式主要有网架、钢屋架、实腹钢梁以及我院结合工程设计经验研究的空间倒三角钢管桁架。

网架结构则由于施工质量不太容易保证，制造、安装比较混乱，常常产生一些不可控因素，造成事故隐患;所以本文不考虑这种结构方式，仅对钢屋架、实腹钢梁和空间倒三角钢管桁架三种结构方案作技術经济比较。

2.1 钢屋架（桁架）结构

钢屋架（桁架）为常用的屋盖结构型式，在国内工业建筑，尤其是火电厂主厂房屋架中有着广泛的应用。从受力性能上，也是一种空间结构，只不过为了计算方便，设计计算时，简化为平面结构模型进行计算。它可根据建筑要求设计成单坡或双坡形式。该结构为静定结构，受力明确，平面内刚度大，结构可靠。在竖向荷载作用下不产生水平推力。一般上铺压型钢板底模现浇混凝土板，或上铺复合压型钢板保温轻型屋面板。钢屋架为满足平面外稳定及传递水平荷载的要求，在上、下弦均应设置纵、横向水平支撑，还需按要求设置纵向垂直支撑。钢构件施工制作麻烦，节点多，焊接工作量大，杆件规格的品种多，施工吊装时侧向刚度弱，有时需另外设置临时支撑系统。

因为钢屋架屋面承载力大，设计、施工经验丰富，所有钢屋架从技术上分析是可行的，应用也比较广泛。

2.2 实腹钢梁屋面结构

随着焊接变截面工字钢的广泛使用，这种结构形式也被普便应用（它具有以下优点：结构简单、传力明确、拼接方便，加工、焊接工作量小，焊接钢梁根据梁截面弯距包络图的形状大小，将钢屋架设计成变截面的形式，以节省钢材。在屋脊处的拼接，常用高强螺栓加焊缝的混合连接，节点安全可靠。在同样的屋内净空要求下，屋面标高可大大小于屋架结构。

一般认为跨度超过一定数值，实腹钢梁结构在技术上和经济性上，都有一定的缺点。为满足承载力及正常使用的要求，一般截面比较高，自重大，经济性较差。汽机房屋面采用实腹钢梁时，由于实腹钢梁平面外稳定性较差，尚需设置支撑系统来传递水平力。为了承担上部竖向荷载尚需额外设置檩条，从而要比管桁架在支撑系统上浪费材料。

实腹钢梁与柱顶的连接，一般采用固接和铰接两种节点方案。固接方案，钢梁与柱变形协调，可适当减少梁跨中弯距设计值，但柱端产生的弯矩较大，该做法节点构造复杂，施工麻烦。对不均匀沉降及温度应力、安装应力较敏感。铰接方案，结构受力明确，计算简便可靠。节点构造简单，施工方便。对温度应力不敏感，不均匀沉降对该结构类型不产生应力。对比两种节点连接方式，并结合多种因素考虑，采用铰接方案较为合理。

下面我们建一单榀实腹钢梁屋架，按两端铰接情况进行设计，各项指标统计情况见表1（挠度允许值为L/400=26700/400=65.75mm）。

对上表进行分析可以看出：实腹钢梁往往是挠度起控制作用，不能充分利用强度。设计时我们选用Q235B钢材即可。

2.3 空间倒三角钢管桁架屋面结构

空间倒三角钢管桁架的使用，完全解决了平面桁架在加工制作、安装起吊过程中平面外刚度差和平面外挠曲等问题，其运输安装费用比其它桁架低，维护费用明显低于桁架。另外由于其顶面的宽度，大大减少了檩条的计算跨度，节省用钢量、减轻重量。

管结构的另外一个优点在于它不但可以实现管与管之间的直接连接，也可以和其它截面的直接连接，发挥其各自的特长。焊接工作量比普通型钢桁架减少50%～60%，但节点的连接设计施工是较复杂的，节点采用相贯连接，相贯线切割是难度较高的制造工艺，因为交汇钢管的数量、角度、直径的不同使得相贯线形状各异，而且坡口处理困难。但随着多维数控切割技术的发展，这些难点已被克服。

选用空间倒三角钢管桁架，与平面桁架结构相比，平面外刚度大，提供了侧向稳定性和抗扭转刚度，增加屋面的整体刚度，并减少侧向支撑构件;此外桁架杆件主要承受轴向荷载而管截面受压时钢材利用效率最高，管截面桁架比其它非管截面桁架要轻。

通过对比，双坡屋面比单坡屋面更能充分利用杆件的强度，节省钢材，本文中我们只考虑采用双坡屋面。要实现双坡管桁架立面形状有两种作法：一种为梭形倒三角管桁架，另一种为平行弦倒三角管桁架。

我們先从这两种形式管桁架中挑出最优方案，再与其余型式的屋架进行对比。

（一）梭形倒三角管桁架夹角的变化对结果的影响：

建立两个模型，两腹杆平面夹角分别为45度与60度，计算结果如下（挠度允许值为L/400=26300/400=65.75mm）：

对比如上结果可以看出：夹角变化对上下弦杆内力没有影响，仅是腹杆稍有变化，夹角变小，腹杆应力会小一些。从而选择45度角梭形屋架则会更为合理。但是角度不能太小，因为角度太小，上弦间距就会太小，这样就体现不出管桁架的平面外刚度大的优势，建议不能小于45度角。

（二）梭形倒三角管桁架与平行上弦倒三角管桁架比较：

基于上一条的结论，上下弦受力基本一致，角度越小腹杆受力越小，我们在进行对比时，选取平行弦上弦间距为2100，这样平行弦倒三角管桁架所有腹杆夹角均在45度附近。（挠度允许值为L/400=26700/400=65.75mm）

对比上表结果，平行弦屋架与45度角梭形管桁架所有杆件强度基本一致，但是挠度却相差甚多。

综合以上分析可以得出结论：45度角梭形倒三角管桁架为最优结构形式。

另附上针对本工程用STAAD PRO空间软件计算出的倒三角形空间管桁架模型的应力图及位移图分别见图1、图2。

2.4  三种屋面结构体系技术经济比较见表4、表5。

从上表分析可以看出，梯形钢屋架有檩体系及实腹钢梁有檩体系用钢量相当，而空间倒三角钢管桁架有檩体系比以上二者少出约22%的用钢量;其中由于檩条计算跨度变小檩条用钢量减少10%左右，加上空间倒三角钢管桁架支撑系统主要是垂直支撑以及少量的水平支撑，所以可以节省大量钢材。另外，管桁架与网架相比，网架单位投影面积用钢量为38kg/m，总造价为156.6万元，两者造价相差不大，加之网架结构存在施工质量不太容易保证，制造、安装比较混乱，常常产生一些不可控因素，造成事故隐患等缺点。综合考虑技术、经济两方面，空间倒三角钢管桁架具有很强的综合优势。

3 结论

综上所述，对于屋面的材料选型，复合压型钢板轻型屋面可以实现屋面板结构强度与建筑保温、防水的统一，屋面板具有耐久性能卓越、自重较轻等优势。

对于屋盖结构形式，从设计、施工、造价等技术经济比较可知，空间管结构桁架有檩体系具有结构合理、自重轻、防腐蚀性能好、安装方便等优势;另外也进行了建筑效果的优化，屋面通风系统放在屋架上使得厂房屋面简洁、美观、通透。

因此，本工程汽机房屋盖推荐采用复合（保温）压型钢板轻型屋面+空间倒三角钢管桁架有檩体系加支撑屋面结构型式。

随着经济的发展，空间倒三角钢管桁架已应用于许多领域，比如大型的体育馆、飞机场的航站楼、火车站候车厅等。