火力发电厂主厂房钢结构设计讨论

摘要：本文介绍了新疆嘉润资源控股有限公司年产80万吨电解铝含5×350MW动力站工程主厂房钢结构的设计，结合具体工程对厂房结构布置、荷载取值以及钢结构设计应注意的问题进行了重点阐述，提出了一些个人看法和观点。

关键词：主厂房 钢结构 荷载取值 结构设计

中图分类号： TU391文献标识码： A

1工程概况

新疆某工程，拟建场地位于玛纳斯县境内，拟建场区西面200米为冬麦地主干道，南距312国道约10公里。由于电厂地处高地震烈度、高季节温差和高风速的地区，自然条件十分恶劣，因此设计难度相当大。

主厂房结构布置

2.1 电厂主厂房结构布置

主厂房采用全钢结构。主厂房各个车间按下列顺序布置：汽机间除氧间煤仓间锅炉（锅炉钢架由锅炉厂自行设计）。集中控制楼布置在两台锅炉之间，与除氧间C排柱相距1.4米。

汽机间、除氧间、煤仓间跨度分别为24米、6米和12.5米，汽机房屋面未采用传统的钢屋架方式，而是采用与钢柱刚接的焊接H型钢梁。主厂房柱距为9米，共38档，其中在9、16、24、32轴线设有双柱，插入距为1.5米，厂房全长351米。钢筋混凝土汽机机座采用岛式布置，汽机运转层标高为12.600 米，设大平台，中间层标高为6.300米。汽机房设有两台80/20吨桥式吊车，行车轨顶标高为24.500米，吊车梁为焊接工字钢梁。

厂房结构由纵、横架构组成稳定的空间结构。主厂房横向为全刚性连接加支撑。纵向框架则采用全铰接体系，其稳定靠设在柱间的三道垂直支撑来保证，垂直支撑采用宽翼缘H型钢，主要是考虑支撑平面外计算长度。

主厂房各层板均为现浇钢筋混凝土组合楼面，钢-混凝土组合梁结构充分发挥了两种材料的受力特长，对于荷重和跨度大（L>7.5米）的钢梁结构，考虑其共同工作后可以节约钢材17–25%左右，就整个厂房用钢量来说，可以节约钢材2–3%。同时，钢梁与混凝土结合成整体，使钢梁避免了侧向失稳和翘曲。

2.2关于主厂房结构布置的几点体会

主厂房结构的布置形式目前大致有如下几种：

（1）横向采用刚性连接加垂直支撑，纵向为铰接加垂直支撑。

横向以汽机间、除氧间及煤仓间作为横向主体受力结构体系，形成独立的稳定的受力结构，且在合适的位置设置垂直支撑，以承受各种竖向和水平荷载。

纵向为铰接加垂直支撑，支撑的设置按计算确定。在高地震区，宜采用偏心支撑，偏心支撑的特点有：1）斜杆轴线与梁轴线的交点偏离中心一段距离；2）斜杆的轴向抗拉或抗压强度，大于水平杆件的抗弯承载力。因此，偏心支撑在水平地震作用下，斜杆不论是受拉或受压，始终会保持平直状态，从而可以利用水平杆件的反复弯曲变形来吸收和消耗能量，实现杆件弯曲耗能，这就极大地改善了垂直支撑的耐震能力。

（2）横向采用刚性连接，纵向根据计算要求设置若干跨刚性跨。此种方式避免了设置垂直支撑，便于工艺布置。这种结构形式适宜于水平荷载较小的情况。

（3）纵横向均采用铰接加垂直支撑。此种方式连接较简单，有利于加工制造、安装，可缩短建设周期。结构分析简单，能够充分发挥材料的强度，钢材用量少，是一种比较经济合理的方案。

（4）横向刚铰混合连接，纵向铰接加垂直支撑，这种方式对于横向来讲，可根据工艺布置来设置一定数量的垂直支撑，不能设支撑处则做成刚性连接，可以较好地解决结构和工艺布置之间的矛盾。

3 主要设计原则

3.1主厂房楼屋面活荷载

活荷载取值按《土规》规定的“计算主框排架用楼（屋）面活荷载”确定。

3.2 风荷载取值

由《建筑结构荷载规范》中的“全国风压分布图”可以查出，玛纳斯地区的基本风压为0.5kN/m2，风压系数为1/1600，可得50年一遇十分钟平均最大风速为28.3m/s，与计算所得50年一遇十分钟平均最大风速结果有一定差异。

结合玛纳斯电厂三期和附近天富热电厂二期工程的设计资料，综合分析本工程50年一遇十分钟平均最大风速按30m/s考虑较为合理，对应计算风压为0.56kN/m2。

3.3地震作用

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），拟建场地抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第三组，根据《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)4.1.1条判定为对建筑抗震一般地段。

根据新建防御自然灾害研究所所作的《地震安全性评价初步结论》得出：设计基本地震加速度为0.179g,对应的地震烈度为7度。我们采用结构设计软件PKPM计算时，对“多遇地震影响系数最大值”进行了微调，调整为0.1423，这样是结构计算既做到了安全又考虑到了经济。

4钢结构设计应注意的几个问题

4.1 稳定计算至关重要

钢结构构件设计时，一定要从强度、稳定和刚度三方面进行计算。对于钢结构构件来说，强度容易满足，实际工程中往往是稳定和变形起控制作用。

保证结构整体及其组成构件的稳定是钢结构设计的主要内容。凡是有压应力的地方，就必须考虑其稳定性。要做好稳定设计。在实际设计中处理稳定问题时，应注意以下几个问题：

( 1）结构计算简图一定要与实际计算方法所依据的简图相一致。单个构件能否保持稳定牵涉到结构的整体稳定问题，因此，在分析稳定问题时，应该从整体结构着眼。

(2）结构稳定计算应与结构布置方案相吻合。在确定结构构件平面外计算长度系数时，要注意结构布置是否能够提供平面外的约束。

(3）结构稳定计算还需要与构造设计相吻合。所谓构造设计，指的是处理结构的细部问题。构造与设计相符合一直是设计人员所关注的问题。当遇到稳定问题时，构造上常有不同于强度的要求和特殊的考虑。如支承条件对简支梁的稳定影响就很大，从强度角度讲，只要能够阻止位移并允许梁端在平面内有转动就行，但是就梁的整体稳定而言，还需阻止梁绕纵轴的转动，以防止扭转，否则，稳定承载力将会有所降低，设计中要注意这个问题，并采取相应的构造措施。

4.2 无混凝土楼面处的纵向框架梁应按梁-柱构件（压-弯构件）进行设计

梁是以弯曲为主要变形的构件，而柱是指承受轴向荷载为主的构件，梁-柱构件（压-弯构件）是以承受轴向荷载和弯曲为主的构件。

在设计中，我们应该根据这些定义来判定是梁还是柱构件，而不能盲目地将水平杆看成梁，垂直杆或斜杆看成柱构件，否则就会出错。作为垂直支撑桁架水平构件，除了承受垂直荷载（受弯）外，还受有很大的轴向力。

4.3注意压杆的支撑设计，保证压杆的稳定

纵向框架连系梁除了承受楼面传来的垂直荷载外，还起到减小柱子计算长度的作用，或者仅作为减小柱计算长度用。这样，就要求梁具有一定的轴向刚度，使之能够起到刚性支座的作用。但有时在设计中，往往认为它承受的垂直荷载很小或者不承受外荷载，截面就选得很小，而没有验算其刚度，结果造成不安全的后果。

4.4 结构布置时应尽量避免构件受扭

在结构布置时，应尽量避免形成扭转构件。因扭转对工字型截面构件的强度有十分不利的影响。一般在工程设计中，主要是采取一些措施避免梁受扭，方法有：

（1）改变力的传递路径，设置其它构件来承受对梁产生扭转的荷载作用，如吊车梁制动桁架或梁，就是利用它们来承担吊车水平力，避免吊车梁扭转。

（2）加设适用的支撑构件，凡是能够有效地阻止梁整体失稳的支撑均能起到阻止梁扭转的作用，但是最好能够形成闭合箱形体系。

（3）沿梁全跨范围内，设置几道高度较大的撑杆，这也是防止扭转的有效措施。应注意撑杆要满足刚度和强度的要求，确定方法类似柱的撑杆，只是把梁的上翼缘看成轴心受压构件。

（4）借助与梁相连的构件来协助承担扭转作用。如次梁与主梁刚性连接，则次梁可以分担很大一部分扭距，从而使得主梁截面减小很多。

5结语

针对以上所述，发电厂钢结构主厂房是一体型复杂，结构刚度和作用荷载分布不均的结构体系。在设计计算中，应全面考虑各设计步骤及设计路径，比如钢结构主厂房空间计算与平面计算的分析比较、钢结构梁柱连接节点设计以及钢结构主厂房整体抗震设计，因此钢结构主厂房的设计研究工作任重而道远。

参考文献

[1] 钢结构设计规范(GB 50017-2003)

[2] STS钢结构CAD软件用户手册 中国建筑科学研究院

[3] 陈绍蕃，钢结构设计原理，科学出版社