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。

  目前國內(nèi)常用的計(jì)算軟件中,空間計(jì)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(jié)構(gòu)體系。因此在過去的主廠房計(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,將一個溫度段的所有結(jié)構(gòu)元件建立在一個三維模型中來進(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)的各個方面,如本工程印度方業(yè)主在招標(biāo)書中明確規(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、煤倉間、鍋爐房。在2臺爐及煤倉間之間布置集控樓,集控樓自成結(jié)構(gòu)體系。煤倉間在集控樓處斷開,通過運(yùn)煤皮帶棧橋連接兩煤倉間皮帶層。

  2.1結(jié)構(gòu)體系簡介

  主廠房的柱距主要為12m,局部為10m;汽機(jī)間縱向共45個柱距,伸縮縫處設(shè)雙柱,

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  作者簡介:宋春霞,女,生于1971年,國家一級注冊結(jié)構(gòu)師,高級工程師,主要從事火電廠土建結(jié)構(gòu)工作!

  插入距1.5m,6臺機(jī)總長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,煤倉間給煤機(jī)層17.2m,煤斗支點(diǎn)32.1m,煤倉間皮帶層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)平臺縱向結(jié)構(gòu)上分別在2個柱距設(shè)置了垂直柱間支撐,使之形成了一個標(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)置在煤倉間,但由于煤倉間底層為消防通道,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)房加熱器平臺處,使水平力從上部通過支撐傳至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)算時剛性樓板協(xié)調(diào)各軸架構(gòu)變形時產(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。這與國內(nèi)通用結(jié)構(gòu)程序由程序自身對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,可以針對框架的梁、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;同時也對設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)水平、對結(jié)構(gòu)受力分析及荷載的認(rèn)識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,活載應(yīng)考慮進(jìn)行折減;驗(yàn)算次梁強(qiáng)度時,活載不折減;驗(yàn)算主框架變形時,荷載使用折減后的標(biāo)準(zhǔn)值;驗(yàn)算次梁變形時,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)果來反饋?zhàn)罱K截面的合理性。而在STAARD/CHINA程序中,整個結(jié)構(gòu)的鋼結(jié)構(gòu)截面都可以由程序通過結(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,程序根據(jù)構(gòu)件對整體剛度的貢獻(xiàn)與所承受荷載的大小以自動迭代的方式進(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。但這種方法耗時太多,對構(gòu)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(gòu)件的截面類型為工字鋼,當(dāng)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時,如果所指定的截面太小,不滿足所要求的應(yīng)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(diǎn)之一。

  4.主廠房進(jìn)行空間分析的優(yōu)勢

  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)分析無法避免的荷載重復(fù)作用和作用分配過大的缺點(diǎn)。根據(jù)本工程計(jì)算對比,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。

  4.3主廠房空間模型一經(jīng)建立,可貫穿廠房建設(shè)的全過程使用,伴隨工藝的變更,可隨時對結(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)十個專業(yè),各專業(yè)在廠房建設(shè)中常會有變更荷載的情況,這對廠房結(jié)構(gòu)有或多或少的影響。以往平面計(jì)算時,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)際工程中可大大簡化計(jì)算工作量。以往工程進(jìn)行平面設(shè)計(jì)時,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的計(jì)算工作量,有利于提高工作效率。

  5.結(jié)束語

  三維空間設(shè)計(jì)卓越的功能,越來越引起設(shè)計(jì)者的重視和喜愛,在眾多電廠的招投標(biāo)中,業(yè)主對能夠采用三維設(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!