鋼結(jié)構(gòu)主廠房空間分析的設(shè)計(jì)研究
摘要：印度JharsugudaIPP獨(dú)立電站工程為6×600MW機(jī)組，主廠房采用鋼結(jié)構(gòu)方案，借助STAARD/CHINA軟件包，進(jìn)行了空間結(jié)構(gòu)整體分析，考慮了剛性屋、樓蓋的協(xié)調(diào)作用，有效地減少了結(jié)構(gòu)內(nèi)力，降低了用鋼量�！ �
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)、Staad/China、主廠房、空間結(jié)構(gòu)分析
1．前言
隨著工程技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，火力發(fā)電廠的裝機(jī)容量不斷增大。主廠房作為發(fā)電廠中最重要的建筑，它的結(jié)構(gòu)選型、材料選用和計(jì)算手段直接關(guān)系到發(fā)電廠的合理性、經(jīng)濟(jì)性等，而利用Staad/China對(duì)主廠房進(jìn)行空間整體計(jì)算是一種準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。
目前國(guó)內(nèi)常用的計(jì)算軟件中，空間計(jì)算只是針對(duì)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(jié)構(gòu)體系。因此在過(guò)去的主廠房計(jì)算中，通常都是采用平面計(jì)算法，即計(jì)算一榀簡(jiǎn)化后的平面框排架。這種方法是近似的、粗略的，其結(jié)果也往往保守，造成材料的浪費(fèi)。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，將一個(gè)溫度段的所有結(jié)構(gòu)元件建立在一個(gè)三維模型中來(lái)進(jìn)行空間計(jì)算和分析已經(jīng)成為可能。本工程即采用了從美國(guó)引進(jìn)的STAARD/CHINA三維空間結(jié)構(gòu)分析程序，該方法充分考慮了構(gòu)件之間的協(xié)調(diào)作用，因此構(gòu)件受力分析的結(jié)果更合理、更接近實(shí)際受力情況。
Staad/China軟件包是當(dāng)今國(guó)際上較為通用的綜合性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，它適用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，如本工程印度方業(yè)主在招標(biāo)書(shū)中明確規(guī)定結(jié)構(gòu)計(jì)算的軟件為Staad。Staad/China軟件包包括Staad/Pro和SSDD軟件，Staad/Pro是美國(guó)REI公司享有專利產(chǎn)權(quán)的計(jì)算機(jī)程序，而SSDD鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與繪圖軟件是REI（大連）公司所開(kāi)發(fā)的軟件。
2．工程概述
印度Jharsuguda6×600MW獨(dú)立電站工程，地處印度Jharsuguda，為新建工程。主廠房采用鋼結(jié)構(gòu)方案，橫向布置依次為汽機(jī)房、除氧間、煤倉(cāng)間、鍋爐房。在2臺(tái)爐及煤倉(cāng)間之間布置集控樓，集控樓自成結(jié)構(gòu)體系。煤倉(cāng)間在集控樓處斷開(kāi)，通過(guò)運(yùn)煤皮帶棧橋連接兩煤倉(cāng)間皮帶層。
2.1結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)介
主廠房的柱距主要為12m，局部為10m；汽機(jī)間縱向共45個(gè)柱距，伸縮縫處設(shè)雙柱，
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作者簡(jiǎn)介：宋春霞，女，生于1971年，國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)師，高級(jí)工程師，主要從事火電廠土建結(jié)構(gòu)工作�！�
插入距1.5m，6臺(tái)機(jī)總長(zhǎng)526.5m。
主廠房的橫向跨度分別為：汽機(jī)房30.6m，除氧間10.5m，煤倉(cāng)間15m。
主廠房豎向布置的標(biāo)高分別為：汽機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)層13.7m，汽機(jī)房中間層6.9m，汽機(jī)房屋蓋下弦29.4m，除氧間低壓加熱器層6.9m，除氧間高壓加熱器層13.7m，除氧間除氧器層26.0m，煤倉(cāng)間給煤機(jī)層17.2m，煤斗支點(diǎn)32.1m，煤倉(cāng)間皮帶層42.6m，輸煤皮帶頭部間50.6m。
主廠房采用框排架結(jié)構(gòu)體系。汽機(jī)間采用排架體系，除氧煤倉(cāng)間采用框架體系，汽機(jī)間屋架支撐在除氧間柱的牛腿上，形成聯(lián)合結(jié)構(gòu)�？蚺偶苁菑S房骨架的主要承重構(gòu)件，各個(gè)框架之間由屋面結(jié)構(gòu)、屋蓋縱橫向支撐、現(xiàn)澆混凝土樓蓋結(jié)構(gòu)、柱間支撐以及其它縱、橫兩向抗側(cè)構(gòu)件連接在一起，組成一個(gè)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(jié)構(gòu)體系。
2.2支撐布置
在各種類型的鋼框架體系中，常規(guī)加設(shè)柱間支撐框架是最好的抵抗水平側(cè)力的結(jié)構(gòu)體系。本工程中，縱向A、B、C、D軸及汽機(jī)平臺(tái)縱向結(jié)構(gòu)上分別在2個(gè)柱距設(shè)置了垂直柱間支撐，使之形成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)支撐框架體系，有效地承擔(dān)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(jié)構(gòu)體系采用剛、鉸、撐混合體系，橫向框架榀榀設(shè)撐。原計(jì)劃各榀框排架支撐全部設(shè)置在煤倉(cāng)間，但由于煤倉(cāng)間底層為消防通道，且布置有磨煤機(jī)的檢修單軌吊，不允許設(shè)撐，造成支撐不能在煤倉(cāng)間連續(xù)貫通到基礎(chǔ)，故橫向支撐從13.70m標(biāo)高以下設(shè)置在汽機(jī)房加熱器平臺(tái)處，使水平力從上部通過(guò)支撐傳至13.70m處后由水平橫梁和剛性樓層橫向傳遞到加熱器平臺(tái)柱，在此處支撐完成了水平力至基礎(chǔ)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。
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(jié)構(gòu)水平作用的合理傳遞。本期工程煤倉(cāng)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(shè)置水平支撐，增設(shè)的水平支撐與鋼梁形成的水平穩(wěn)定桁架，可大大增強(qiáng)本樓層的剛度。
2.3剛性樓板的設(shè)計(jì)
為方便施工，縮短工期，主廠房各層樓面及除氧煤倉(cāng)間屋面采用1.2mm厚鍍鋅壓型鋼板做永久底模，底模上現(xiàn)澆100mm厚鋼筋混凝土板，連接件選用圓柱頭焊釘。連接件的設(shè)計(jì)充分考慮了承擔(dān)空間整體計(jì)算時(shí)剛性樓板協(xié)調(diào)各軸架構(gòu)變形時(shí)產(chǎn)生的作用。
3.主廠房結(jié)構(gòu)空間整體分析計(jì)算
3.1建立三維模型
首先建立一個(gè)完整的、盡可能精確的STAARD/CHINA三維空間模型。模型根據(jù)實(shí)際位置關(guān)系尺寸設(shè)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(jù)計(jì)算簡(jiǎn)圖給出梁與柱、梁與撐、柱與基礎(chǔ)的連接形式。在主廠房三維模型中不僅設(shè)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(gòu)件，同時(shí)汽機(jī)房屋面的水平支撐及系桿也全部在模型中得到體現(xiàn)。
3.2荷載的輸入
STAARD/CHINA軟件中的荷載分組和荷載組合完全由設(shè)計(jì)人員設(shè)定，即由設(shè)計(jì)人員先根據(jù)荷載的最不利布置對(duì)其進(jìn)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(jì)算機(jī)中由程序完成組合計(jì)算。這與國(guó)內(nèi)通用結(jié)構(gòu)程序由程序自身對(duì)用戶輸入的荷載按照規(guī)范要求進(jìn)行組合的方法有顯著的區(qū)別，它可針對(duì)每一構(gòu)件特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中有很大的優(yōu)越性。例如在設(shè)計(jì)主廠房時(shí)，可以針對(duì)框架的梁、柱、支撐、柱腳內(nèi)力設(shè)計(jì)，連接節(jié)點(diǎn)等不同構(gòu)件，采用不同的荷載組合系數(shù)，選取最不利組合形式，設(shè)計(jì)出最優(yōu)的截面。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需要自由地進(jìn)行荷載組合；同時(shí)也對(duì)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平、對(duì)結(jié)構(gòu)受力分析及荷載的認(rèn)識(shí)水平提出了更高的要求。
荷載組合工況主要依據(jù)《土規(guī)》中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。在驗(yàn)算柱框架強(qiáng)度時(shí)，活載應(yīng)考慮進(jìn)行折減；驗(yàn)算次梁強(qiáng)度時(shí)，活載不折減；驗(yàn)算主框架變形時(shí)，荷載使用折減后的標(biāo)準(zhǔn)值；驗(yàn)算次梁變形時(shí)，荷載使用未折減的標(biāo)準(zhǔn)值。
3.3鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化
在平面計(jì)算法中，一般先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)制定構(gòu)件截面形式，再進(jìn)行程序計(jì)算，最后由計(jì)算結(jié)果來(lái)反饋?zhàn)罱K截面的合理性。而在STAARD/CHINA程序中，整個(gè)結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)截面都可以由程序通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法進(jìn)行選擇，程序中裝備最先進(jìn)的優(yōu)化算法，可準(zhǔn)確、快速地完成迭代計(jì)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(hào)，程序根據(jù)構(gòu)件對(duì)整體剛度的貢獻(xiàn)與所承受荷載的大小以自動(dòng)迭代的方式進(jìn)行優(yōu)化選擇，最終選擇出最經(jīng)濟(jì)構(gòu)件截面，既滿足規(guī)范要求，又滿足整體結(jié)構(gòu)的平衡方程。但這種方法耗時(shí)太多，對(duì)構(gòu)件繁多的工程可采用另一種優(yōu)化功能，即開(kāi)始就定義某一構(gòu)件的截面類型為工字鋼，當(dāng)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，如果所指定的截面太小，不滿足所要求的應(yīng)力比，程序會(huì)自動(dòng)加大同類型工字鋼截面，直至選出一個(gè)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(diǎn)之一。
4.主廠房進(jìn)行空間分析的優(yōu)勢(shì)
4.1主廠房采用空間結(jié)構(gòu)計(jì)算方法充分考慮了屋面、剛性樓層的協(xié)調(diào)作用，更加符合廠房結(jié)構(gòu)在荷載作用下的實(shí)際受力情況，克服了以往平面桿系結(jié)構(gòu)分析無(wú)法避免的荷載重復(fù)作用和作用分配過(guò)大的缺點(diǎn)。根據(jù)本工程計(jì)算對(duì)比，空間結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析結(jié)果與平面分析方法相比整體內(nèi)力包絡(luò)小5%～8%，局部構(gòu)件內(nèi)力降低20%以上，效果明顯。經(jīng)計(jì)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(biāo)相比降低了10.3%。
4.2利用三維空間結(jié)構(gòu)分析可以處理平面分析中不易處理的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，尤其是在工藝布置有特殊要求時(shí)，空間整體分析方法更顯出其優(yōu)勢(shì)。
4.3主廠房空間模型一經(jīng)建立，可貫穿廠房建設(shè)的全過(guò)程使用，伴隨工藝的變更，可隨時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行核算。電廠主廠房建設(shè)涉及機(jī)、電、土、煤、灰等數(shù)十個(gè)專業(yè)，各專業(yè)在廠房建設(shè)中常會(huì)有變更荷載的情況，這對(duì)廠房結(jié)構(gòu)有或多或少的影響。以往平面計(jì)算時(shí)，需將荷載重新推導(dǎo)到主框架上進(jìn)行驗(yàn)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(shí)將新增荷載點(diǎn)加到模型中，進(jìn)行空間整體計(jì)算，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的可靠度，便于校核查找荷載作用點(diǎn)。
4.4三維空間計(jì)算不僅在理論上比平面計(jì)算更合理、更準(zhǔn)確，而且在實(shí)際工程中可大大簡(jiǎn)化計(jì)算工作量。以往工程進(jìn)行平面設(shè)計(jì)時(shí)，主體結(jié)構(gòu)至少要安排3人分別計(jì)算橫向框架、縱向框架和樓層；而采用三維計(jì)算，僅1人即可完成結(jié)構(gòu)計(jì)算，大大減少了各分卷冊(cè)的計(jì)算工作量，有利于提高工作效率。
5.結(jié)束語(yǔ)
三維空間設(shè)計(jì)卓越的功能，越來(lái)越引起設(shè)計(jì)者的重視和喜愛(ài)，在眾多電廠的招投標(biāo)中，業(yè)主對(duì)能夠采用三維設(shè)計(jì)技術(shù)的設(shè)計(jì)方案更加青睞，能否采用三維設(shè)計(jì)技術(shù)已成為設(shè)計(jì)水平和設(shè)計(jì)能力的重要體現(xiàn)，火力發(fā)電廠主廠房三維計(jì)算必將是設(shè)計(jì)發(fā)展的趨勢(shì)。
