汽机房屋盖钢桁架和实腹梁结构方案经济技术比较

李良

摘 要：汽机房屋盖体系可以分为屋面板和屋盖结构2部分。常见的屋面板有复合压型钢板保温轻型屋面板、压型钢板底模现浇混凝土屋面板、大型预制混凝土板、GRC板、NALC板等。近年来，屋面板体系通常采用复合压型钢板保温轻型屋面板。本文在确定屋面板体系为复合压型钢板保温轻型屋面板的情况下，对屋盖结构方案——汽机房屋面钢桁架结构和实腹梁结构2种方案进行经济技术比较。选取24 m、27 m这2种常用跨度的汽机房案例进行分析。结论为24 m跨度的汽机房屋面选择实腹梁结构方案更为经济和实用；27 m跨度的汽机房屋面，钢桁架结构方案在经济上略占优势。综合考虑，仍应采用实腹梁结构方案。

关键词：汽机房屋盖；有限元分析；实腹梁；钢桁架

中图分类号：TU318 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.05.003

火力发电厂汽机房屋盖系统是主厂房结构系统中的重要组成部分。除了屋盖本身承受竖向荷载之外，汽机房屋盖系统还传递水平力。汽机房内布置有火力发电厂的核心设备，例如汽轮发电机组、重要辅机设备等。为了保证电厂的稳定、可靠运行，汽机房屋盖应作为重要结构进行专门研究。在满足安全、可靠的前提下，应兼顾经济性、耐久性、抗震性、防火性等多种功能。

屋盖本身是一个复杂系统，需建筑与结构协调一致、相互配合，以达到屋面系统体系的整体优化。本工程汽机房屋面面积比较大，对工程造价和工程进度影响大。

根据工程实践经验，结合案例自然条件，以满足使用功能、结构安全及节省工程造价为准则，对屋盖结构方案进行了详细的技术经济分析。以较节省的投资选择，合理的建筑结构方案，努力使电厂设计与时俱进，进行创新和优化，打造高质量、低造价、低运行成本的设计。

1 2种结构方案比较

1.1 实腹梁屋面结构方案

近年来，实腹梁结构得到了广泛应用。一般认为跨度超过一定数值，实腹钢梁结构在技术上和经济性上都有一定的缺点。为满足承载力及正常使用的要求，一般截面比较高，自重大，经济性能较差。但随着焊接变截面工字钢的广泛使用，这种结构型式已越来越多地被人们所接受。它具有结构简单、传力明确、拼接方便，加工、焊接工作量小等优点。根据梁截面弯距包络图的形状大小，可以设计成变截面的形式，以大量节省钢材。对于屋脊处的拼接，常用高强螺栓加焊缝的混合连接方式，节点安全、可靠。为满足刚度要求，可适当起拱。在同样的屋内净空要求下，屋面标高可大大小于屋架及网架结构，从而减少汽机房的高度，以实现减轻质量、节约材料的目标。

1.2 钢桁架屋面结构方案

钢桁架结构为常用的汽机房屋盖结构型式，在国内工业建筑，尤其是火电厂主厂房屋架中有着广泛的应用。在受力特征上，它也是一种空间结构，只不过为了计算方便，设计计算时，简化为平面结构型式进行计算。它可根据建筑要求设计成单坡或双坡形式。该结构为静定结构，受力明确，平面内刚度大，结构可靠，在竖向荷载作用下不产生水平推力。当采用复合压型钢板保温轻型屋面板时，钢屋架本身的支撑系统杆件不能承受弯距，需设置大量的屋面檩条，进而经济性受到影响。钢屋架为满足平面外稳定及传递水平荷载的要求，上、下弦均应设置纵、横向水平支撑。另外，还需按要求设置纵向垂直支撑。钢构件施工制作麻烦，节点多，焊接工作量大，杆件规格的品种多，施工吊装时侧向刚度弱，有时需另外设置临时支撑系统。因钢屋架屋面承载力大，设计、施工人员经验丰富，所有钢屋架从技术上分析是可行的，应用也比较广泛。

1.3 屋面结构方案比较表

表1为汽机房屋盖结构方案比较情况。

2 结构实例

2.1 27 m跨度汽机房屋盖结构实例

2.1.1 设计条件概述

现以某300 MW发电机组工程的27 m跨度汽机房屋面结构方案为例，设计采用的主要技术数据为：50年一遇基本风压为0.40 kN/m2；场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值

为0.05g，设计地震分组属第一组，拟建场地建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.45 s。汽机房A，B轴之间跨度为27 m，纵向柱距9 m，总长度为72 m，相对主厂房0 m地坪的高度从低到高为28.000～30.670.

2.1.2 设计荷载

本工程采用轻钢结构屋面，屋面板采用双层复合保温彩钢板，外板厚度不小于0.6 mm，超细玻璃丝棉厚度不小于60 mm，内板厚度不小于0.5 mm，板材为优质镀铝锌钢板。图1为实腹梁荷载简图，图2为活载标准值简图，图3为设备荷载标准值简图，图4为风荷载标准值简圖。

2.1.3 实腹梁计算（MIDAS）

2.1.3.1 实腹梁模型

实腹梁采用变截面，参数为：高度1 000～1 400线性变化，梁腹板和翼缘厚度不变，截面为H1 000×400×20×28～H1 400×400×20×28.梁截面最高处位于跨度中间，逐渐向两端支座处减小梁截面高度。使用MIDAS软件建立的实腹梁模型如图5所示。

2.1.3.2 内力分析

实腹梁单元弯矩包络见图6，弯矩最大值为2 945.0 kN·m。

实腹梁单元截面应力图如图7，最大应力区域范围较大，最大值为157.9 N/mm2，满足Q235钢的强度设计值。

实腹梁在荷载标准组合下的挠度图如图8，梁截面挠度限值为L/400=67.5 mm，本工程挠度计算最大值为65.039 mm，小于67.5 mm，满足设计要求。

2.1.3.3 实腹梁特性

实腹梁特性如表2所示。

2.1.4 钢桁架计算（PM）

2.1.4.1 钢桁架模型

钢桁架采用PM二维建模，上、下弦梁中心线间距为2.7 m，详细模型如图9.

2.1.4.2 内力分析

2.1.4.3 钢桁架特性

2.2 24 m跨度汽机房屋盖结构实例

2.2.1 设计条件概述

以某2×50 MW发电机组工程的24 m跨度汽机房屋面结构方案为例，设计采用的主要技术数据为：50年一遇基本风压为0.35 kN/m2；场地抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.067g，设计地震分组属第二组，拟建场地建筑场地类别为Ⅱ类，特征周期为0.42 s。汽机房A，B轴之间跨度为24 m，纵向柱距8 m，总长度为105.2 m，相对主厂房0 m地坪的高度从低到高为22.500～24.900.

2.2.2 实腹梁和钢桁架特性

设计荷载和相关分析过程同27 m跨度汽机房屋盖结构。

3 经济技术比较

在24 m跨度的汽机房屋盖结构中，由于钢桁架结构方案汽机房屋盖比实腹梁结构方案汽机房屋盖增加了下弦支撑系统，导致在工程所用的钢材量相差不多，节省钢材8.9 t。但钢桁架屋盖结构矢高大，增加了汽机房的体量以及墙体维护的夹心钢板的量为463.1 m2。从技经方面比较，钢材单价取6 000元/t，夹心钢板取240元/t，实腹梁结构方案节省造价约6万元。

在27 m跨度的汽机房屋面中，由于实腹梁结构方案汽机房屋面和钢桁架结构方案汽机房屋面均需要下弦支撑系统，而钢桁架单榀（5.8 t）比实腹梁单梁（11.6 t）节省，因此实腹梁结构方案所用钢材量比钢桁架结构方案多了35.6 t。在矢高方面，钢桁架结构方案增加了汽机房的体量以及墙体维护的夹心钢板的量为451.8 m2。单从技经方面比较，钢材单价取6 000元/t，夹心钢板取240元/t，钢桁架结构方案节省造价约10万元。

4 结束语

通过以上计算分析和比较，可以得出以下结论：①24 m跨度选择实腹梁结构方案，无论是从工程造价考虑，还是从结构施工方面考虑，都是比较合理的。②在27 m跨度汽机屋盖，钢桁架结构方案节省造价约为10万元，相差很小。但由于实腹梁结构方案施工周期短以及现场质量易保证，综合比较来看，在27 m跨度的汽机房屋面选用结构方案时，傾向选择实腹梁结构方案。③综上所述，在常规汽机房屋盖结构方案选择时，对于不大于27 m跨度的汽机屋盖，宜采用实腹梁结构方案进行设计施工。

参考文献

[1]张晓红.汽机房屋面结构选型分析[J].浙江电力，2008（6）.

[2]夏宏君，张爱中.火力发电厂汽机房屋面网架与钢屋架体系的综合比较[J].武汉大学学报（工学版），2004（09）.

[3]吕世雄.火电厂主厂房屋面网架的应用[J].电力建设，2000（8）.

〔编辑：刘晓芳〕