钢结构主厂房空间分析的设计研究

　　摘要：印度JharsugudaIPP独立电站工程为6×600MW机组，主厂房采用钢结构方案，借助STAARD/CHINA软件包，进行了空间结构整体分析，考虑了刚性屋、楼盖的协调作用，有效地减少了结构内力，降低了用钢量。
　　
　　关键词：钢结构、Staad/China、主厂房、空间结构分析
　　
　　1．前言
　　随着工程技术突飞猛进的发展，火力发电厂的装机容量不断增大。主厂房作为发电厂中最重要的建筑，它的结构选型、材料选用和计算手段直接关系到发电厂的合理性、经济性等，而利用Staad/China对主厂房进行空间整体计算是一种准确、经济、先进的设计方法。
　　目前国内常用的计算软件中，空间计算只是针对纯框架体系，不适合发电厂主厂房这种不规则的框排架结构体系。因此在过去的主厂房计算中，通常都是采用平面计算法，即计算一榀简化后的平面框排架。这种方法是近似的、粗略的，其结果也往往保守，造成材料的浪费。随着计算技术的发展，将一个温度段的所有结构元件建立在一个三维模型中来进行空间计算和分析已经成为可能。本工程即采用了从美国引进的STAARD/CHINA三维空间结构分析程序，该方法充分考虑了构件之间的协调作用，因此构件受力分析的结果更合理、更接近实际受力情况。
　　Staad/China软件包是当今国际上较为通用的综合性的结构设计软件，它适用于结构设计的各个方面，如本工程印度方业主在招标书中明确规定结构计算的软件为Staad。Staad/China软件包包括Staad/Pro和SSDD软件，Staad/Pro是美国REI公司享有专利产权的计算机程序，而SSDD钢结构设计与绘图软件是REI（大连）公司所开发的软件。
　　2．工程概述
　　印度Jharsuguda6×600MW独立电站工程，地处印度Jharsuguda，为新建工程。主厂房采用钢结构方案，横向布置依次为汽机房、除氧间、煤仓间、锅炉房。在2台炉及煤仓间之间布置集控楼，集控楼自成结构体系。煤仓间在集控楼处断开，通过运煤皮带栈桥连接两煤仓间皮带层。
　　2.1结构体系简介
　　主厂房的柱距主要为12m，局部为10m；汽机间纵向共45个柱距，伸缩缝处设双柱，
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　　作者简介：宋春霞，女，生于1971年，国家一级注册结构师，高级工程师，主要从事火电厂土建结构工作。
　　
　　插入距1.5m，6台机总长526.5m。
　　主厂房的横向跨度分别为：汽机房30.6m，除氧间10.5m，煤仓间15m。
　　主厂房竖向布置的标高分别为：汽机房运转层13.7m，汽机房中间层6.9m，汽机房屋盖下弦29.4m，除氧间低压加热器层6.9m，除氧间高压加热器层13.7m，除氧间除氧器层26.0m，煤仓间给煤机层17.2m，煤斗支点32.1m，煤仓间皮带层42.6m，输煤皮带头部间50.6m。
　　主厂房采用框排架结构体系。汽机间采用排架体系，除氧煤仓间采用框架体系，汽机间屋架支撑在除氧间柱的牛腿上，形成联合结构。框排架是厂房骨架的主要承重构件，各个框架之间由屋面结构、屋盖纵横向支撑、现浇混凝土楼盖结构、柱间支撑以及其它纵、横两向抗侧构件连接在一起，组成一个框排架传递竖向荷载，柱间支撑、屋盖支撑传递水平荷载的空间工作结构体系。
　　2.2支撑布置
　　在各种类型的钢框架体系中，常规加设柱间支撑框架是最好的抵抗水平侧力的结构体系。本工程中，纵向A、B、C、D轴及汽机平台纵向结构上分别在2个柱距设置了垂直柱间支撑，使之形成了一个标准的常规支撑框架体系，有效地承担了纵向水平荷载。
　　横向框架垂直支撑的布置原则是：满足规范要求和工艺要求。横向结构体系采用刚、铰、撑混合体系，横向框架榀榀设撑。原计划各榀框排架支撑全部设置在煤仓间，但由于煤仓间底层为消防通道，且布置有磨煤机的检修单轨吊，不允许设撑，造成支撑不能在煤仓间连续贯通到基础，故横向支撑从13.70m标高以下设置在汽机房加热器平台处，使水平力从上部通过支撑传至13.70m处后由水平横梁和刚性楼层横向传递到加热器平台柱，在此处支撑完成了水平力至基础的传递。由于工艺要求有较大工作空间，故支撑大部分选用人字撑。
　　为保证空间体系的完整与刚度均匀分布，在局部缺少混凝土楼层处增加楼层水平钢支撑，以满足结构水平作用的合理传递。本期工程煤仓间楼层不连续，形成空楼层，使楼层刚度分布不均匀，为了抵御刚度中心不均匀形成的扭矩，在空楼层处设置水平支撑，增设的水平支撑与钢梁形成的水平稳定桁架，可大大增强本楼层的刚度。
　　2.3刚性楼板的设计
　　为方便施工，缩短工期，主厂房各层楼面及除氧煤仓间屋面采用1.2mm厚镀锌压型钢板做永久底模，底模上现浇100mm厚钢筋混凝土板，连接件选用圆柱头焊钉。连接件的设计充分考虑了承担空间整体计算时刚性楼板协调各轴架构变形时产生的作用。
　　3.主厂房结构空间整体分析计算
　　3.1建立三维模型
　　首先建立一个完整的、尽可能精确的STAARD/CHINA三维空间模型。模型根据实际位置关系尺寸设立梁、柱、楼板、支撑等并赋予它们截面特性，即梁柱撑的断面尺寸、楼板厚度、材料特性等。然后根据计算简图给出梁与柱、梁与撑、柱与基础的连接形式。在主厂房三维模型中不仅设立了框排架梁柱，纵梁、各层楼板、楼层次梁、柱间支撑等主要构件，同时汽机房屋面的水平支撑及系杆也全部在模型中得到体现。
　　3.2荷载的输入
　　STAARD/CHINA软件中的荷载分组和荷载组合完全由设计人员设定，即由设计人员先根据荷载的最不利布置对其进行分组，得出基本工况，再按照基本组合原则，列出各种组合工况，然后逐一输入计算机中由程序完成组合计算。这与国内通用结构程序由程序自身对用户输入的荷载按照规范要求进行组合的方法有显著的区别，它可针对每一构件特性进行设计，在结构设计中有很大的优越性。例如在设计主厂房时，可以针对框架的梁、柱、支撑、柱脚内力设计，连接节点等不同构件，采用不同的荷载组合系数，选取最不利组合形式，设计出最优的截面。设计人员可以根据需要自由地进行荷载组合；同时也对设计人员的设计水平、对结构受力分析及荷载的认识水平提出了更高的要求。
　　荷载组合工况主要依据《土规》中的有关规定进行。在验算柱框架强度时，活载应考虑进行折减；验算次梁强度时，活载不折减；验算主框架变形时，荷载使用折减后的标准值；验算次梁变形时，荷载使用未折减的标准值。
　　3.3钢结构的设计优化
　　在平面计算法中，一般先根据经验制定构件截面形式，再进行程序计算，最后由计算结果来反馈最终截面的合理性。而在STAARD/CHINA程序中，整个结构的钢结构截面都可以由程序通过结构优化的方法进行选择，程序中装备最先进的优化算法，可准确、快速地完成迭代计算。在输入文件中可以只给出截面类型，而不必提供具体的型钢编号，程序根据构件对整体刚度的贡献与所承受荷载的大小以自动迭代的方式进行优化选择，最终选择出最经济构件截面，既满足规范要求，又满足整体结构的平衡方程。但这种方法耗时太多，对构件繁多的工程可采用另一种优化功能，即开始就定义某一构件的截面类型为工字钢，当程序进行设计时，如果所指定的截面太小，不满足所要求的应力比，程序会自动加大同类型工字钢截面，直至选出一个满足要求的最小界面，这一功能正是STAARD/CHINA程序的显著优点之一。
　　4.主厂房进行空间分析的优势
　　4.1主厂房采用空间结构计算方法充分考虑了屋面、刚性楼层的协调作用，更加符合厂房结构在荷载作用下的实际受力情况，克服了以往平面杆系结构分析无法避免的荷载重复作用和作用分配过大的缺点。根据本工程计算对比，空间结构内力分析结果与平面分析方法相比整体内力包络小5%～8%，局部构件内力降低20%以上，效果明显。经计算，主厂房单位面积用钢量为26kg/m2，与2000年示范电厂耗材指标相比降低了10.3%。
　　4.2利用三维空间结构分析可以处理平面分析中不易处理的结构问题，尤其是在工艺布置有特殊要求时，空间整体分析方法更显出其优势。
　　4.3主厂房空间模型一经建立，可贯穿厂房建设的全过程使用，伴随工艺的变更，可随时对结构进行核算。电厂主厂房建设涉及机、电、土、煤、灰等数十个专业，各专业在厂房建设中常会有变更荷载的情况，这对厂房结构有或多或少的影响。以往平面计算时，需将荷载重新推导到主框架上进行验算，非常繁琐；而在STAARD/CHINA程序建立的三维立体模型中，则可随时将新增荷载点加到模型中，进行空间整体计算，验证结构的可靠度，便于校核查找荷载作用点。
　　4.4三维空间计算不仅在理论上比平面计算更合理、更准确，而且在实际工程中可大大简化计算工作量。以往工程进行平面设计时，主体结构至少要安排3人分别计算横向框架、纵向框架和楼层；而采用三维计算，仅1人即可完成结构计算，大大减少了各分卷册的计算工作量，有利于提高工作效率。
　　5.结束语
　　三维空间设计卓越的功能，越来越引起设计者的重视和喜爱，在众多电厂的招投标中，业主对能够采用三维设计技术的设计方案更加青睐，能否采用三维设计技术已成为设计水平和设计能力的重要体现，火力发电厂主厂房三维计算必将是设计发展的趋势。