丰满水电站全面治理（重建）工程发电厂房屋架结构设计

王宝忠，魏子钧

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 工程概况

丰满水电站全面治理（重建）工程（以下简称“丰满重建工程”）是在丰满老坝下游120.00 m位置新建一座混凝土重力坝，工程完工后仍保持原丰满电站的任务和功能，主要任务是发电，可兼顾供水、防洪等其他效益。

新电站挡水建筑物采用碾压式混凝土重力坝，采用坝后式厂房，引水发电系统位于挡水建筑物右岸侧，厂房内安装6台混流式水轮发电机组，单机容量200 MW，重建工程保留原丰满三期2台单机容量140 MW的机组，因此重建工程装机容量共计1 480 MW。

新建发电厂房主厂房尺寸为227.00 m×32.00 m×70.95 m（长×宽×高），主机间长度为170.50 m，安装间长度为56.50 m，其中，中间机组段（2—6号机组段）长度均为28.00 m，端机组段（1号机组段）长度为30.50 m。

2 屋架结构型式选择

2.1 方案拟定

主厂房屋架拟采用钢屋架结构。招标设计阶段，钢屋架采用螺栓球网架结构、双面坡形式，屋面坡度为6%，上覆轻质混凝土复合屋面板。施工图阶段，考虑到屋面排水、冻融破坏等影响，根据厂区景观规划及建筑单体设计方案，屋面排水方式由有组织排水变更为无组织排水，屋面由双面坡变更为单面坡，坡向上游侧。同时，为了满足厂房内部光照需求，屋顶增设钢结构框架的采光天窗。为了保证厂房屋面结构具有良好的耐久性及保温防水性能，屋面由憎水岩棉保温板、石墨烯聚氨酯保温层、三元乙丙橡胶卷材防水层、50 mm厚C25细石混凝土面层等组成。

2.2 方案比选

2.2.1 结构安全性

从结构受力角度来看，螺栓球网架为空间受力结构，结构受力较复杂，其承载力受高强螺栓的规格限制，最大受拉杆件设计拉力值不超过1 000 kN，使得螺栓球网架更适合于跨度小、荷载小的中小型网架屋盖结构；管桁架为平面受力结构，受力结构简单、结构稳定性好、屋盖刚度大、结构整体性能好，管桁架结构截面材料绕中和轴较均匀分布，使截面同时具有良好的抗压和抗弯扭承载能力及较大刚度。

从结构变形角度来看，螺栓球网架未按照设计形成约束前刚度差、变形大、易产生挠度，尤其当螺栓球网架在高空散拼时，临时支撑必须保证稳定，在球网架进行整体滑移或者分块吊装时，必须保证每一个球节点都不发生问题，否则将有可能引起屋架结构的整体失稳，导致屋架结构坍塌事故发生；管桁架结构不用节点板，构造简单，由冷弯薄壁型钢制作的钢管屋架，具有结构轻、刚度好、节省钢材，以及能充分发挥材料强度等优点，在节约钢材的同时其结构整体性能更加突出，施工过程中进行屋架整体吊装与滑移时，更易控制结构变形。

丰满重建工程厂房跨度为32.00 m，厂房钢屋架长期工作在有机组振源的工况下，因此，根据上述对比分析，采用结构稳定性好、屋盖刚度大的管桁架有利于屋架的安全稳定。另外，由于厂房屋面采用单面坡的形式，如若采用螺栓球网架，网架连杆、斜杠、球等受力不均匀，而管桁架结构中的杆件均为圆管杆件，桁架中的杆件大部分情况下只受轴线拉力或压力，应力在杆件截面上均匀分布。

2.2.2 防腐可靠性

螺栓球网架采用丝扣连接，接口处很难做到彻底防腐要求，特别是在有振动的工作环境中，易松动，易产生锈蚀；管桁架结构设计方案当中，各杆件之间相交方式采用相贯线形式，杆件切割加工等工作流程均通过机械自动切割来完成，管桁架节点处均采用焊接，焊口防腐处理彻底。

2.2.3 施工难度

由于丰满厂房屋面跨度大、荷载大，杆件内力较大，如若采用螺栓球网架，球径大、球体重，施工不便。现场拼装螺栓球网架过程当中，必然存在累计误差，造成杆件尺寸的偏差，而所有杆件、球体都是通过工厂预制，现场无法进行更改，若施工人员通过强行就位，会造成球网架结构的安装应力较大，严重时，会导致个别杆件失稳；并且，由于存在尺寸偏差问题，也会影响高强螺栓的拧入程度，形成更大的安全隐患。螺栓球网架还存在互换性差的问题，同规格球、杆件互换难度大。施工中，若出现个别螺栓球质量不合格或螺栓球丢失，施工现场无法自行处理，需待厂家重新加工运至现场。

在螺栓球网架实际安装过程中，其所受剪力较大，很容易在高强螺栓未完全拧紧时断裂，顶丝断裂后，很难更换，导致螺栓不能拧紧，造成安全隐患。相比之下，管桁架结构整体稳定性能更优，扭转刚度更大，从制作、安装及起吊等方面都便于施工。

2.2.4 美观性

近年来，管桁架结构已被广泛使用到各类建筑物当中，通过钢管结构可以将人们对建筑物的功能、感观及经济效益三方面的要求完美地结合起来。对比网架结构，管桁架结构不设置下弦纵向杆件，也省去了球节点，能最大限度地满足各类建筑形式的要求。考虑丰满厂房屋面排水、防冰要求，丰满厂房屋架采用单面坡的形式，采用屋顶采光方式，管桁架能够满足造型及采光要求。螺栓球网架在屋顶采光的情况下，光线照在螺栓球网架上，阴影落在地上，显得杂乱无章而缺乏美感。因此，从美观性角度比较，管桁架结构更优于螺栓球网架结构。

2.2.5 经济性与耗材

管桁架结构通常选用冷弯薄壁型钢进行制作，其结构相较球网架质量更轻、刚度更大，能够将材料强度充分发挥，在应用于某些受长细比控制的压杆结构或者支撑系统中更能突出其经济性能。

丰满厂房屋架原设计钢材为Q235B，在施工图阶段，考虑到厂房屋架具有较大屋面雪荷载、单面坡、大跨度等特点，在同等荷载情况下，如继续采用Q235B钢材，无论是管桁架还是球型钢网架，都会造成较大的杆件断面，增大用钢量，加大拼装、吊运、焊接的难度，对现场施工安全造成较大影响。采用高一强度等级的钢材，就可通过减小结构设计尺寸的方式尽量降低施工难度，避免以上情况的发生。

吉林丰满地区多年极端最低气温为-42.5℃，考虑到现场施工安排在11月中下旬，当地平均气温、最低气温均低于0℃，焊接过程中，钢屋架是在负温情况下进行施工，在焊接完成后，不具备屋面系施工条件（永久保温层无法施工完成），为保证焊接质量及负温条件下屋架的整体受力稳定，宜采用D型钢材（C型钢材的抗冲击试验温度为0℃，D型钢材的抗冲击试验温度为-20℃）。Q345D型钢材较Q235B型钢材的杂质S和P更少，有利于控制焊接裂缝，-20℃的低温环境下冲击性能更加优越，在零件具有不可避免的应力集中、微小裂纹时不致突然断裂而造成事故。

综上，推荐屋架结构采用Q345D型钢材。

3 结构计算

3.1 计算模型

1）采用通用结构设计软件Midas Gen进行结构分析。

2）横向为主桁架共26榀，采用下弦支承，纵向用5榀通长次桁架连接，保证结构侧向稳定。

3）边界条件。为了考虑下部结构的实际刚度，将下部牛腿也建入模型中进行整体分析。由于结构纵向较长，温度应力明显，且牛腿较高，侧向没有支撑体系，一旦侧向力较大，则牛腿底部将产生很大的弯矩，故必须将侧向力释放。实际工程中设置温度缝可以解决这个问题，但设缝后屋面铺设、防水处理都将变复杂，故使用侧向可滑移支座释放侧向力。在钢桁架与牛腿之间采用弹性连接模拟支座刚度，将纵向刚度释放。

屋架结构计算模型见图1。

图1 屋架结构计算模型

3.2 计算成果

1）结构主要振型成果：第一周期为0.909 s，第二周期为0.676 s，第三周期为0.666 s。

2）整体位移成果：主结构标准组合竖向变形为45 mm，主结构纵向水平位移为64 mm，主结构横向水平位移为17 mm。

3）应力比成果：主结构为0.813，天窗为0.975。

结构的强度都能满足要求，主杆件应力比控制在0.82以下。

4 结语

在招标设计阶段，丰满重建工程主厂房钢屋架设计方案采用的是螺栓球网架型式，施工图设阶段，考虑到屋面排水、冻融破坏等影响，屋面由双面坡变更为单面坡，同时为了满足厂房内部光照需求，屋顶增设钢结构框架采光天窗。通过安全性、施工难度、美观性、经济性及耗材等多方面的对比，为了更好地满足厂房整体造型、采光、屋面排水等的需求，保证施工安全，丰满重建工程发电厂房屋架型式最终按管桁架型式进行设计并施工，其钢材型号选用Q345D，该屋架结构完美地满足了新建发电厂房的功能要求、感观要求及经济效益要求。