某电厂消防泵房上部钢结构设计中部分问题的思考

曹宏智，田 楠，刘 鑫

（深圳中广核工程设计有限公司，广东 深圳 518029）

1 概述

某电厂消防泵房钢结构厂房消防泵房分为地下及地上两部分。地上为普通单层钢结构厂房，设电动桥式吊车Gn＝40t、Gn＝25t各1台。厂房整体结构体系选型为框排架结构体系，是一种由多榀并排的平面主框架通过吊车梁、支撑等纵向构件连接形成的一种空间结构体系。主框架采用钢桁架代替框架横梁，钢桁架与框架柱刚接，框架柱为实腹式组合截面钢柱。泵房屋面采用钢结构，屋架为钢桁架，檩条为H型钢，单坡屋面，屋面坡度取5%；墙板、屋面板采用带有保温隔热层的双层彩色镀锌压型钢板（彩钢硬质聚氨酯夹芯板），其耐用年限不低于20a。本文将对该电厂消防泵房设计中遇到的一些问题进行分析思考，对比其与参考电厂泵房钢结构的相同点与不同点，如钢结构厂房柱距的确定，檩条、支撑与隅撑的布置。参考电厂泵房钢结构中抗风柱与屋架铰接，本工程中抗风柱与屋架采用传统的弹簧片连接，和相对于参考电厂泵房钢结构中半门吊牛腿悬挑长度延伸后，钢柱节点域的加强措施。

2 刚架柱距的选择

刚架的柱距与刚架跨度、檩条形式，屋面荷载等因素有关。刚架规范规定，刚架柱距宜为6m、7.5m、9m，最大可采用12m。经过研究发现，随着柱距的增大，刚架的用钢量是逐渐下降的，但当柱距增大到一定数值后，刚架的用钢量随着柱距的增大下降的较为平缓，但其他构件如檩条、吊车梁、墙梁的用钢量会随着柱距的增大而增大，就房屋的总用钢量而言，随着柱距的增大先下降而后又上升。因此刚架存在着最优柱距，表1列出在一般情况下不同跨度所对应的最优柱距：

表1

本工程钢结构的围护结构采用双层压型钢板，柱距可不受模数限制，柱距选择主要依据使用要求和合理用钢量来确定。本工程刚架跨度为22.5m，基本柱距定位7.5m，在15～16轴间的PS区根据工艺要求柱距11.72m，15轴柱由于承受屋面传来荷载增大也相应增大了截面尺寸，同时15～16轴间增加了支撑与檩条（如图1）。

3 抗风柱连接方式的选择

抗风柱的柱脚有刚接和铰接两种形式。铰接时，基础只承受较小的轴力、剪力，设计和构造件简单。刚接时，传递给基础的弯矩和轴力则相对大得多，设计和构造件也相对复杂。通常情况下，铰接柱脚时基础底面积仅为刚接时的40%左右，加上节点的构造简单，抗风柱脚采用铰接对设计、造价都有明显的优势。本工程抗风柱即采用铰接形式的柱脚。抗风柱柱顶也有两种连接方法。

图1

3.1 抗风柱柱顶与屋架通过弹簧片来连接

弹簧片竖向刚度较弱，节点不传递竖向力，屋面荷载主要由刚架承受。水平方向弹簧片不易变形，能够保证水平荷载的传递。

3.2 抗风柱柱顶与屋架铰接或刚接

此时，屋面荷载由刚架及抗风柱共同承担，抗风柱为压弯构件，截面尺寸较大，同时屋面梁的变形对它产生不利影响，反之抗风柱也会造成屋面梁的变形不协调，使之承受扭矩，不利于梁的稳定。对于抗风柱来说，则同时承担竖向荷载和风荷载。

本工程16轴边框架上，承受了11.72m跨度的PS区屋面荷载的一半，边框架承受的屋面荷载已经接近中框架承受的屋面荷载，为了避免增大抗风柱的截面尺寸，使抗风柱受力直接，传力明确，在本工程的抗风柱顶与屋架的连接中，采用了通过弹簧片连接的形式，使其只承受墙板和自身的重量和风荷载。

4 半门吊牛腿悬挑尺寸延长后牛腿与钢柱连接节点域的加强

参考电厂消防泵房中半门吊的牛腿悬挑出柱边为950mm，半门吊导轨距柱边为650mm，减去墙板檩条的高度200mm，再扣去墙面双层压型钢板的厚度，所能给半门吊夹轨器留的净尺寸不足400mm，而据吊车厂家采购的夹轨器所要求的最小净距为450mm，参考电厂消防泵房半门吊牛腿悬挑长度显然不够，而最后导致在施工时将半门吊导轨位置处的墙面压型钢板全部去除，从泵房外部看横向的一条墙面被齐齐切除，外观非常难看。

在本工程中，为了满足吊车厂家所提的夹轨器距墙面净距500mm的要求，将半门吊牛腿悬挑出柱边的尺寸增加到1100mm，需要对增加后的牛腿及柱腹板节点域进行强度及稳定性计算。

经过计算后发现，半门吊车的吊车梁外移150mm后牛腿的抗弯、抗剪、整体稳定性仍满足要求，柱腹板节点域满足抗剪要求，抗剪应力比达到0.88（不移为0.71），比较靠近1.0；柱腹板节点域腹板厚度12mm，不满足GB50017-2003 第7.4.2条式7.4.2-2计算出的（hc+hb）/90 =14.3mm，比值为1.19，需要在柱腹板节点域做加强措施。最初加强方案为柱腹板节点域加补强板，采用8厚双面贴板，补强板上下边缘伸过柱横向加劲肋之外各150mm，贴板与柱腹板连接为塞焊缝，塞焊点之间的距离，不应大于相连板件中较薄板件厚度的倍。但考到补强板的设置与塞焊点布置较密集带来的施工不便，最终采取了在柱腹板节点域内设置12mm厚的交叉斜向加劲肋，发挥其对柱腹板节点区的划分作用，以期达到减小柱腹板宽度hc的目的，使得柱腹板节点域腹板厚度满足要求（如图2）。

图2

5 檩条与隅撑的布置

檩条的用钢量在房屋结构中所占的比重较大，约占结构用钢量的1/5～1/3。设计时，应尽量增大檩条的间距，选用合适的檩条形式，减少屋面材料的重量。檩条间距的选择应综合考虑天窗、采光带、通风屋脊、屋面材料、檩条规格等因素按计算确定，一般为等间距布置，但在屋脊处应沿屋脊两侧各布置一道，在天沟附近布置一道。

隅撑的设置是用来保证梁的下翼缘受压部分的局部稳定。本工程中屋架上弦的局部稳定由与之连接的檩条保证，这样在根据我们的施载方式绘制出的弯矩图中，只要在屋架下弦受压部分设置隅撑即可（一般隔檩布置），但是实际的荷载我们很难考虑周全，比如随遇的风荷载，那么我们就很难确定到屋架下弦受压部分在哪里，因此，为避免随遇的风荷载所到来屋架下弦受压部分位置的不确定，同时为了给屋架的局部稳定留出一定的安全储备，本工程消防泵房与参考电厂消防泵房钢结构中屋面隅撑均为全跨通设。

6 结论

在进行本消防泵房上部钢结构的设计中要保证整个结构在纵向构件、支撑和围护结构的联系下形成空间的稳定体系，只有保证结构的整体稳定，才能承担各种荷载和其他效应。设计必须体现计算假定与结构构造的一致性。还应明确各类外力从作用点到基础的传递路径和传递全过程中产生的效应。每一项设计都需要能够正确运用和执行本专业的有关技术标准、规范、导则和规程，并根据工程的实际情况灵活运用所掌握的专业知识进行设计。

[1]GB50017-2003 钢结构设计规范[S].

[2]钢结构设计手册（上册）[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，2004.

[3]GB50009-2001 建筑结构荷载规范[S].

[4]李承汉，徐琪华，姜学宜，乐嘉龙.新编轻钢结构设计实用手册[M].北京：中国电力出版社，2007.