摘要：隨著國家經濟的快速發(fā)展，鋼結構在建筑領域起到了舉足輕重的作用，扮演著越來越重要的角色，無論在工業(yè)還是民用建筑中，鋼結構以其突出的特點迅速地占領著越來越廣的市場。其特點有：其整體剛度和抗震性能好、施工速度快、自重輕、承載力高，在大跨度及超高層建筑中代替了鋼筋混凝土結構，但也存在著防火性能差、易腐蝕等缺點，在設計中根據其特點揚長避短才能更好地發(fā)揮鋼結構的作用，現在就鋼結構工業(yè)廠房在設計中的幾個問題作簡單闡述
關鍵詞：廠房鋼結構；空間分析；優(yōu)化設計
目前國內常用的計算軟件中，空間計算只是針對純框架體系，不適合發(fā)電廠主廠房這種不規(guī)則的框排架結構體系。因此在過去的主廠房計算中，通常都是采用平面計算法，即計算一榀簡化后的平面框排架。這種方法是近似的、粗略的，其結果也往往保守，造成材料的浪費。隨著計算技術的發(fā)展，將一個溫度段的所有結構元件建立在一個三維模型中來進行空間計算和分析已經成為可能。
一.廠房布置
1.1撐布置
框排架是廠房骨架的主要承重構件，各個框架之間由屋面結構、屋蓋縱橫向支撐、現澆混凝土樓蓋結構、柱間支撐以及其它縱、橫兩向抗側構件連接在一起，組成一個框排架傳遞豎向荷載，柱間支撐、屋蓋支撐傳遞水平荷載的空間工作結構體系。
在各種類型的鋼框架體系中，常規(guī)加設柱間支撐框架是最好的抵抗水平側力的結構體系。本工程中，縱向A、B、C、D軸及汽機平臺縱向結構上分別在2個柱距設置了垂直柱間支撐，使之形成了一個標準的常規(guī)支撐框架體系，有效地承擔了縱向水平荷載。
橫向框架垂直支撐的布置原則是：滿足規(guī)范要求和工藝要求。橫向結構體系采用剛 、 鉸、撐混合體系，橫向框架榀榀設撐。原計劃各榀框排架支撐全部設置在煤倉間，但由于煤倉間底層為消防通道，且布置有磨煤機的檢修單軌吊，不允許設撐，造成支撐不能在煤倉間連續(xù)貫通到基礎，故橫向支撐從13.70m標高以下設置在汽機房加熱器平臺處，使 水平力從上部通過支撐傳至13.70 m處后由水平橫梁和剛性樓層橫向傳遞到加熱器平臺柱，在此處支撐完成了水平力至基礎的傳遞。由于工藝要求有較大工作空間，故支撐大部分選用人字撐。
1.2剛性樓板的設計
為保證空間體系的完整與剛度均勻分布，在局部缺少混凝土樓層處增加樓層水平鋼支撐， 以滿足結構水平作用的合理傳遞。本期工程煤倉間樓層不連續(xù)，形成空樓層，使樓層剛度分布不均勻，為了抵御剛度中心不均勻形成的扭矩，在空樓層處設置水平支撐，增設的水平支撐與鋼梁形成的水平穩(wěn)定桁架，可大大增強本樓層的剛度。
為方便施工，縮短工期，主廠房各層樓面及除氧煤倉間屋面采用1.2mm厚鍍鋅壓型鋼板做永久底模，底模上現澆100mm厚鋼筋混凝土板，連接件選用圓柱頭焊釘。連接件的設計充分考慮了承擔空間整體計算時剛性樓板協調各軸架構變形時產生的作用。
二. 主廠房結構空間整體分析計算
2.1建立三維模型
首先建立一個完整的、盡可能精確的STAARD/CHINA三維空間模型。模型根據實際位置關系尺寸設立梁、柱、樓板、支撐等并賦予它們截面特性，即梁柱撐的斷面尺寸、樓板厚度、材 料特性等。然后根據計算簡圖給出梁與柱、梁與撐、柱與基礎的連接形式。在主廠 房三維模型中不僅設立了框排架梁柱，縱梁、各層樓板、樓層次梁、柱間支撐等主要構件， 同時汽機房屋面的水平支撐及系桿也全部在模型中得到體現。
2.2 荷載的輸入
STAARD/CHINA軟件中的荷載分組和荷載組合完全由設計人員設定，即由設計人員先根據荷載的最不利布置對其進行分組，得出基本工況，再按照基本組合原則，列出各種組合工況，然后逐一輸入計算機中由程序完成組合計算。這與國內通用結構程序由程序自身對用戶輸入的荷載按照規(guī)范要求進行組合的方法有顯著的區(qū)別，它可針對每一構 件特性進行設計，在結構設計中有很大的優(yōu)越性。例如在設計主廠房時，可以針對框架的梁 、柱、支撐、柱腳內力設計，連接節(jié)點等不同構件，采用不同的荷載組合系數，選取最不利組合形式，設計出最優(yōu)的截面。設計人員可以根據需要自由地進行荷載組合；同時也對設計人員的設計水平、對結構受力分析及荷載的認識水平提出了更高的要求。
2.3 鋼結構的設計優(yōu)化
在平面計算法中，一般先根據經驗制定構件截面形式，再進行程序計算，最后由計算結果來反饋最終截面的合理性。而在STAARD/CHINA程序中，整個結構的鋼結構截面都可以由程序通過結構優(yōu)化的方法進行選擇，程序中裝備最先進的優(yōu)化算法，可準確、快速地完成迭代計算。在輸入文件中可以只給出截面類型，而不必提供具體的型鋼編號，程序根據構件對整體剛度的貢獻與所承受荷載的大小以自動迭代的方式進行優(yōu)化選擇， 最終選擇出最經濟構件截面，既滿足規(guī)范要求，又滿足整體結構的平衡方程。但這種方法耗時太多，對構件繁多的工程可采用另一種優(yōu)化功能，即開始就定義某一構件的截面類型為工字鋼，當程序進行設計時，如果所指定的截面太小，不滿足所要求的應力比，程序會自動加大同類型工字鋼截面，直至選出一個滿足要求的最小界面，這一功能正是STAARD /CHINA程序的顯著優(yōu)點之一。
三. 主廠房進行空間分析的優(yōu)勢
3.1 主廠房采用空間結構計算方法充分考慮了屋面、剛性樓層的協調作用，更加符合廠房結構在荷載作用下的實際受力情況，克服了以往平面桿系結構分析無法避免的荷載重復作用和作用分配過大的缺點。根據本工程計算對比，空間結構內力分析結果與平面分析方法相比整體內力包絡小5%～8%，局部構件內力降低20%以上，效果明顯。經計算，主廠房單位面積用鋼量為26kg/m2，與2000年示范電廠耗材指標相比降低了10.3%。
3.2 利用三維空間結構分析可以處理平面分析中不易處理的結構問題，尤其是在工藝布置有特殊要求時，空間整體分析方法更顯出其優(yōu)勢。
3.3主廠房空間模型一經建立，可貫穿廠房建設的全過程使用，伴隨工藝的變更，可隨時對結構進行核算。主廠房建設涉及機、電、土、煤、灰等數十個專業(yè)，各專業(yè)在廠房建設中常會有變更荷載的情況，這對廠房結構有或多或少的影響。以往平面計算時，需將荷載重新推導到主框架上進行驗算，非常繁瑣；而在STAARD/CHINA程序建立的三維立體模型中，則可隨時將新增荷載點加到模型中，進行空間整體計算，驗證結構的可靠度，便于校核查找荷載作用點。
3.4 三維空間計算不僅在理論上比平面計算更合理、更準確，而且在實際工程中可大大簡化計算工作量。以往工程進行平面設計時，主體結構至少要安排3人分別計算橫向框架、縱向框架和樓層；而采用三維計算，僅1人即可完成結構計算，大大減少了各分卷冊的計算工作量，有利于提高工作效率。
四. 結束語
三維空間設計卓越的功能，越來越引起設計者的重視和喜愛，在眾多電廠的招投標中，業(yè)主對能夠采用三維設計技術的設計方案更加青睞，能否采用三維設計技術已成為設計水平和設計能力的重要體現，火力發(fā)電廠主廠房三維計算必將是設計發(fā)展的趨勢。
