隔压换热站钢结构厂房的分析及设计

宋照桦，仝兴俊

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300000）

0 引言

自20 世纪六七十年代开始，国外建筑钢结构材料发展有了非常大的技术突破，包括像H 型钢、单层或双层压型钢板、薄壁型钢及冷弯型钢等一批钢结构材料的出现，极大地推进了钢结构建筑的发展，尤其是轻型钢结构；我国虽然从20 世纪五六十年代开始就已经在部分地区进行了冷弯型钢的试验研究和使用试点，但从整体上来说，与之相关的发展还是比较缓慢的[1]。从20 世纪80 年代开始，轻型屋面钢结构体系随着国际钢结构产业的发展浪潮和提升钢材自身防腐蚀涂料、防火涂料的不断研发和出现，国内的相关钢结构企业不断引进国际的先进技术，从而使相关产业工业化程度不断提高，生产成本快速降低，具备了推广钢结构的有利条件。门式刚架具备平面布置灵活、跨越能力强、施工作业方便快捷、外立面简洁美观、成本低性价比高等特点[2-3]，逐渐成为国内大跨度厂房的首选结构形式。隔压换热站由于其内部功能比较复杂，有很长的设备管沟、大量设备支架及设备基础，因而其厂房跨度都比较大，在这种情况下热力场站工程都会首选性价比高的门式刚架结构。本文将会以实际完成的工程为背景，系统地研究和讨论隔压换热站工程的结构设计，包括结构建模建立，荷载取值、节点详细构造、设备和管沟的平面布置等问题，其讨论分析和相关阐述能为类似工程提供一定的借鉴。

1 项目概况

郑州航空港区某隔压站项目，厂区内主要由隔压换热站及110KV 变配电间、调度中心楼、检维修车间、综合水泵房等部分组成，其效果图如图1 所示。其中隔压换热站及110KV 变配电间是站内最主要的生产厂房，该厂房采用了轻型门式刚架的结构形式，结构檐口高度为15.0m，女儿墙高度1.5m，变配电间位置结构檐口高度为6m，女儿墙高度0.9m；厂房总宽度为69m，长度为84m，跨度为三跨，间距不等，其中最大跨度为36m，整体为高低不等跨门式刚架体系，结构布置图如图2 所示。厂房内部设置两台吊车，吊车吨位分别为20t 和15t，地面布置总长度约400m 的设备管沟，管沟深度为4.2m。地面除了设备管沟外，就是大量与工艺设备有关的设备基础和管道相关的支架，在地面基础的布置过程中，经常会出现设备基础、支架基础、厂房钢结构柱基础和管沟基础相碰撞的问题，需要逐个分析基础位置和计算方法。

图1 厂区建筑效果图

图2 结构平面布置图

2 模型的建立和计算

2.1 截面布置及边界条件

结构整体分析和设计时采用了PKPM 软件，主要使用了其中STS 模块进行平面建模，之后采用SATWE 进行结构计算。钢结构柱子采用了等截面H 型钢，主要是因为有吊车的原因，一般情况下没有吊车布置时采用变截面H 型钢柱，这样能节省工程造价，该工程中由于有两台重型吊车，因而建模时采用了等截面的H 型钢，且柱截面应设计得相对大一点，保证其在吊车运行过程中具有足够的刚度，减少厂房由于吊车引起的振动；大跨度的钢梁采用了直线布置的形式，相邻钢柱之间钢梁的连线基本能保证通过其截面的形式，通过这种非跨变结构的布置方式，能够保证钢梁在竖向荷载的作用下其内的轴力会比较小，可以有效地避免产生过大的水平力作用[6]。由于是门式刚架体系，因而梁柱节点采用刚接节点，有些隔压站换热站厂房也会使用混凝土柱轻型钢结构屋面的布置形式，此时应注意混凝土柱与钢梁之间采用铰接节点的情况比较多，当然也有特殊情况会采用混凝土柱与钢梁刚接或半刚接节点；一般的轻型门式刚架结构的钢柱底部与基础的连接采用了会采用铰接节点，根据不同的跨度采用双螺栓或者四个螺栓，但是本工程由于有重型吊车的存在，根据《门式刚架轻型房屋钢结构设计技术规程》[4]的相关要求，柱底部与基础的连接采用了刚接节点。梁柱布置图如图3 所示。

图3 梁柱布置图

2.2 荷载取值

轻型门刚架的跨度比较大，这一特点决定了整个结构体系相对是比较脆弱的，且通常门式刚架的基础节点是铰接的，因而结构的冗余度是比较少的，安全储备稍显不足。本工程设计荷载的取值主要是根据《建筑结构荷载规范》[5]，同时也根据本人多年的钢结构设计经验，设计荷载取值如下：屋面恒荷载根据建筑要求采用的是带保温的双层压型钢板，经过材料的自重计算此荷载取值为0.35kN/m2，该荷载考虑了屋面檩条和拉条的自重，但是没有考虑钢梁上会悬挂电气专业相关的吊灯和给排水专业布置的消防喷淋等荷载，因而综合考虑恒荷载取值定为0.50kN/m2，本项目屋面根据业主要求需要布置太阳能光伏板，根据设备厂家提供资料和设计光伏支架的经验，按照均布荷载0.15kN/m2考虑，因而屋面最终的恒荷载为0.65kN/m2，该荷载参与结构整体计算，包括钢梁，钢柱、屋面檩条的计算；屋面活荷载的取值根据《建筑结构荷载规范》的要求，不上人屋面取值为0.50kN/m2，但是《建筑结构荷载规范》的条文解释和《门式刚架轻型房屋钢结构设计技术规程》都对轻钢屋面的活荷载进行了补充说明，当屋面受荷面积大于60m2时，允许屋面活荷载取值减小，但不应小于0.30kN/m2，本工程根据规范要求活荷载取值为0.30kN/m2，但是檩条计算时还是要按照0.50kN/m2取值，这点是应该注意的。

雪荷载的取值对轻钢结构屋面是非常重要的，这是因为轻钢结构屋面对于风荷载和雪荷载是非常敏感的，取值的差别对结构的安全会造成非常大的影响。尤其是近些年来极端天气的不断增多，经常会发生钢结构厂房被大雪压塌的事件发生，造成这种破坏的原因一方面是由于不可抗力因素，但另一方面也有设计师对风雪荷载的取值没有理解到位，从而导致了事故的发生。影响雪荷载数值的主要是两个参数，一个是雪荷载的标准取值，另一个就是雪荷载的分布系数。首先对于雪荷载的标准取值，通常情况下是按照50 年一遇的情况取值，但对于雪荷载敏感的结构，在《建筑结构荷载规范》中提出可以提高雪荷载的标准值，在《门式刚架轻型房屋钢结构设计技术规程》中明确了对于轻钢屋面门式刚架结构屋面雪荷载应按照100 年一遇取值，因而在这里，根据该地区100 年一遇的荷载取值为0.45kN/m2；对于雪荷载分布系数，不同的屋面形式雪荷载的分布系数是不一样的，这就要设计师对于屋面的雪荷载分布系数非常熟悉，能够在前期和建筑商量方案时就把雪荷载的影响控制到最小，本项目是一个高低跨结构，屋面雪荷载分布系数是比较复杂的，在《门式刚架轻型房屋钢结构设计技术规程》中相关雪荷载分布系数中没有找到对应的形式，因而采用了《建筑结构荷载规范》中的高低跨屋面雪荷载分布系数，同时考虑女儿墙对边部积雪荷载的影响，综上可以保证在雪荷载工况下本工程结构设计的安全性。

风荷载的取值原则和雪荷载的取值原则有相同的地方，但同时也有比较大的不同，主要是风荷载的计算中有一个重要的参数，那就是风荷载体型系数，它是指风作用在建筑物表面一定面积范围内，所引起的平均压力（或吸力），与来流风的速度压力的比值，这一系数主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围的环境和地面粗糙度有关。目前在我国的现行规范中，能指导门式刚架结构的风荷载体型系数取值的主要是《建筑结构荷载规范》和《门式刚架轻型房屋钢结构设计技术规程》这两本规范，对于一些常见的屋面形式，在两本规范中都能找到相应的体型系数，但是两个体型系数取值一般都会有所差别，同时一些复杂的屋面形式在《门式刚架轻型房屋钢结构设计技术规程》有时候是找不到的，这时候就要参考《建筑结构荷载规范》里边的类似形式，同样的情况有时候也会反过来，这就造成了设计中对于风荷载体型系数取值的混乱，确实也是一个比较麻烦的问题。造成这种局面其实是因为体型系数是针对“非低矮房屋”，而《门式刚架轻型房屋钢结构设计技术规程》这本设计规范所考虑的体型系数是“低矮房屋”[7]，关于“非低矮房屋”和“低矮房屋”的区别，在国内的规范中没有找到特别明确的定义，这里参考一下美国的结构设计规范，美国的结构设计规范对于低矮房屋作出了三点定义：（1）结构屋面的平均高度≤18m；（2）房屋檐口的高度与建筑平面最小尺寸的比值≤1；（3）房屋的平均高度与平均宽度的比值≤1。体型系数都是通过风洞试验测得，如非低矮房屋是通过航空风洞反映平稳流的影响作用，而低矮房屋则是通过边界层风洞反映湍流的影响作用[6]。除了以上分析两本规范有关体型系数的不同外，还有一点是《建筑结构荷载规范》风荷载计算公式中还要单独考虑阵风系数，而《门式刚架轻型房屋钢结构设计技术规程》中没有单独考虑阵风系数，这是因为后者在体型系数中已经考虑阵风效应，而前者规定的体型系数则没有考虑阵风效应，这点在设计中要注意使用不同规范时进行相关换算。针对本工程由于屋面形式比较复杂，在《门式刚架轻型房屋钢结构设计技术规程》中并没有对应的体型系数，因而参考的是《建筑结构荷载规范》，建模时单独输入了各个位置的体型系数，注意了以上的相关问题，输入的体型系数相对比较准确。风荷载的标准值采用的是50 年一遇，这是与雪荷载不同的地方，该地区50 年一遇的荷载取值为0.45kN/m2。

2.3 模型计算

梁柱布置和相关荷载确定后，就可以进行结构设计的相关计算，在PKPM 中要定义好相关参数，这里边涉及门式刚架中钢梁的计算，通常钢梁的承载能力是按照受弯构件考虑的，但是对于平面内的稳定性，应按照压弯构件进行验算。定义好相关参数后，要对结构计算简图进行检查，保证输入的准确性，点击计算后要对软件计算的结果应进行复核，通常控制相关应力系数在0.9 范围内，同时还要注意构件是否满足正常使用状态下的变形验算，应力计算结果和挠度计算如图4、5 所示。

图4 应力计算结果

图5 挠度计算结果

3 关键构造和基础设计

3.1 檩条和拉条构造设计

《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》中墙面和屋面的设计章节中对檩条在何种条件下应设置拉条和怎么设置拉条作出了详细的规定：对于屋面和墙面的檩条跨度大于4m 时应设置拉条，当大于4m 而小于6m 时设置一根拉条，当不小于6m 而不大于9m 时设置两根拉条。通常情况下檩条的跨度很少会大于9m，针对拉条布置根数规范已经明确了，但是对于拉条设置在檩条高度的哪个位置却没有明确规定。根据本人之前钢结构设计经验，一般在恒荷载、活荷载作用下檩条主要是下部受弯而上部受压时，拉条一般靠近檩条上部三分之一位置，如图6a 所示，但是若是屋面板能保证檩条上翼缘的稳定，则拉条的布置位置就无关紧要了；当各种工况作用下，存在风吸力为控制工况，此时檩条是下部受压而上部受拉，拉条应靠近下部三分之一位置布置，如图6b 所示；但是随着现在施工速度及施工便捷性的提高，大部分屋面板不再采用直接固定的方式，在设计中要充分考虑到这一变化，对于边界条件的选取要慎重，尤其是屋面板能否保证檩条上翼缘的稳定，当无法满足时，通过计算大部分情况下可能上、下翼缘的稳定都需要拉条起作用，此时在设计就要采用双层檩条，即檩条的上下三分之一位置都应设置拉条，如图6d 所示，本工程中大部分就是采用了双层拉条的布置形式，确保檩条在各种工况下都能保证稳定性；图6c 所示的是之前常用的设计形式，对上下檩条的稳定性都有一定的作用，但是对于现在厂房屋面荷载复杂的工况来说已经不能起到很好的保证檩条稳定的作用，现有工程中使用此种拉条的布置形式已经越来越少了。

图6 檩条上拉条布置图

3.2 基础设计

本工程中地面上基础类别较多，有厂房钢柱的独立基础和条形基础，设备管沟底部的筏板基础，工艺设备的基础和管道支架的基础，这些基础在地面上不可避免地会出现交叉，这时就需要结构设计师通过概念设计和局部计算制定相关的基础设计原则，本人在设计过程中主要通过以下几个原则进行设计：（1）厂房钢柱基础埋深与管沟基础持平，保证管沟基础不影响钢柱的基础；（2）管沟基础与钢柱独立基础发生交叉时，钢柱基础落到筏板基础上，局部计算管沟筏板基础，保证基础的承载受力和地基变形满足规范要求；（3）设备基础和管道支架基础尽量避让，与工艺专业协商尽量保证基础错开布置，无法回避时考虑做成联合基础，同时应局部计算基础参数满足规范要求；（4）设备基础和管道支架基础埋深较浅，一般都高于钢柱基础和管沟基础底部，且下部基础都在上部基础基地压力的影响范围，因而在计算中要适当考虑上部基础的荷载对下部基础的影响，保证钢柱基础和管沟基础有足够的富余量。

4 结论

隔压换热站结构形式采用轻型屋面门式刚架结构能保证具有大跨度的可操作性的同时又兼具很好的经济性，但在设计过程中应着重注意以下几点问题：（1）由于轻型钢结构屋面对荷载比较敏感，因而设计该类结构过程中要重点注意荷载取值的问题，要尽量减少屋面的恒荷载；（2）通过屋面造型布置减小风荷载和雪荷载对结构的影响；（3）重视钢结构节点设计，对于重要的节点和构造应加强复核，必要时要用不同的结构设计软件进行比较计算；（4）钢梁和檩条这样的水平构件的挠度计算应满足规范要求，保证其满足厂房正常使用的要求；（5）设备基础、管沟、支架等构筑物应考虑其对建筑物基础的不利影响，保证整体结构设计的安全储备。