大跨度焚烧厂房屋顶结构形式研究与实践

朱占东

（北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082）

1 引言

近年来，全国陆续建设干化焚烧项目，因生产工艺要求，生产设备间的结构布局要满足设备安装的要求，厂房的跨度一般比较大。厂房主体结构可以选用钢结构也可以选用混凝土框架或框排架结构，屋顶形式根据设计要求的不同有不同的选型方案。本文以盐城市市区污泥集中处置项目和焦作隆丰皮草企业有限公司固体废物综合处置与资源化利用项目为背景，对干化焚烧项目大跨度厂房的屋顶结构形式的选型进行研究。

2 工程概况与厂区条件

盐城市市区污泥项目位于盐城市静脉产业园内，处理对象为盐城市市区污水处理厂等产生的脱水污泥，建设2 条处理生产线。项目场地位于低洼平原地貌单元，场区附近无活动性断裂通过，场地与地基属于相对稳定区，抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度值为0.1g；建筑场地类别为Ⅲ类，场地特征周期为0.69 s（按插值法取）；主厂房采用独立柱基基础和预应力混凝土管桩基础。主要结构形式为混凝土框排架结构（2 层、3 层局部为框架结构）。污泥焚烧车间和污泥接收干化车间设置变形缝。

焦作隆丰皮草企业有限公司固体废物综合处置与资源化利用项目场地地形开阔、平坦，无软弱土层分布，地貌单元属黄河丘陵地区的下部，建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.40 s，抗震设防烈度为7 度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度值为0.1g，水平地震影响系数最大值为0.08。抗震设防类别为标准设防类（丙类）。框架结构抗震等级为三级。地基基础设计等级为丙级。主厂房也同样采用独立柱基础和预应力混凝土管桩基础。

两个项目的工艺流程不完全相同，主体结构形式都是混凝土框排架结构，本文主要针对两个项目的屋顶结构形式进行不同方案的研究。

3 厂房结构形式及屋顶形式研究

盐城市市区污泥项目污泥焚烧车间，长度为78 m，宽度为36 m，建筑高度23 m，地上建筑面积4 994.1 m2，结构形式采用混凝土框排架结构。焚烧车间设计为两条生产线，目前利用H-L 轴15 m 宽度建设第一条生产线，F-H 轴为两条生产线共用的6 m 宽通道。C-F 区域为二期生产线预留区域。本工程主体厂房一次建设完成，目前一期工艺设备已安装完成并投运，预留二期生产线位置。

焦作隆丰皮草企业有限公司固体废物综合处置项目干化焚烧车间长度为130.8 m，宽度为51 m，分3 个车间，从北向南分别为附机车间、焚烧车间和干化车间。其中，干化车间建筑高度14.9 m，长度为24 m，宽度为51 m，抗震设防类别为丙类，结构形式为框排架结构；焚烧车间建筑高度23 m，长度为90 m，宽度为51 m，建筑面积4 994.1 m2，结构形式采用混凝土框排架结构。

焦作隆丰皮草企业有限公司固体废物综合处置与资源化利用项目中皮革废料预处理车间长度为106.9 m，分为两个车间，其中，干物料处理车间长度为61 m，宽度为36 m，结构形式采用混凝土框排架结构；半干物料处理车间长度为45 m，宽度为36 m，结构形式采用混凝土框排架结构。

4 屋顶设计方案研究

针对盐城项目污泥焚烧车间顶部屋面具有跨度大、高度高，且存在设备安装与屋面土建交叉作业的特点，本项目设计时综合研究了两种不同的结构方案。

方案一，按照常规做法，在跨中增加一排结构柱，结构柱之间采用变截面钢梁+水平支撑连接，屋面采用轻钢屋面方案。此方案为常规做法，技术成熟。通过框架柱减小整个屋面的跨度，同时将一期与二期的屋顶结构分开，一期生产工艺建设完成后待二期施工时对一期设备运行影响较小。缺点：增加了中间混凝土柱和柱下混凝土预制桩基的工程量；中间框架柱的存在影响检修通道车辆通行。

方案二，为保证检修通道的正常通行，取消跨中结构柱，直接采用整体网架结构和轻钢屋面结构。此方案也能满足结构受力及稳定安全的要求，且内部空间无遮挡，整体美观简洁，同时可以节省中间结构柱和混凝土预制桩基的工程量。缺点是二期设备安装时，设备基础的桩基施工及设备安装空间受限。若采用拆除现有轻钢屋面进行二期设备安装，有可能影响一期设备运行。

工程量对比，通过盈建科软件在结构各项指标都满足规范的前提下开展工程量对比，两个方案的计算模型如图1、图2 所示，工程量对比见表1。

表1 两种方案工程量对比

图1 方案一的计算模型

图2 方案二的计算模型

通过比较，在用钢量方面，两个方案的用钢量基本相同，而方案一比方案二多出了13 根混凝土框架柱的工程量和36 根桩基工程量，从工程成本控制角度，方案二更有利于成本控制。

从施工技术上，方案二对于二期设备安装的问题，有限空间内的预支混凝土桩基施工及设备安装可以通过其他措施实现。

通过研究，轻钢结构和网架结构有以下结构特点：轻钢结构是一种平面受力体系，一般由柱、梁、桁架、雨棚等组成；副结构由拉杆、斜撑等组成；附属材料包括基础螺栓、高强螺栓、槽钢等[1]。网架结构是一种空间整体受力的结构形式，杆件间通过螺栓球进行应力传递，杆件本身不受弯矩及剪力左右。网架有多种结构形式，按网格组成分类，有交叉桁架体系、四角锥体系、三角锥体系、曲面网架体系和其他异形体系等。

在盐城污泥项目中，变截面钢梁+轻钢屋面结构和网架结构两种方案都能满足技术的要求，从工程成本控制角度考虑，网架结构能够使整个主厂房的工程量比轻钢屋面结构的工程量要少，更有利于项目的总成本控制[2]。在主体框架柱高度不变的情况下，网架结构顶部空间富裕，对于工艺系统局部设备高度高于框架柱高度的情况比较有利，结合工程的生产工艺条件，安装设备较多，且设备高度不一致，局部设备高度较高的情况，可利用网架杆件之间的空隙进行安装，选择网架结构更有利于工艺设备安装。最终，本项目焚烧车间厂房屋顶选用了螺栓球网架形式[3]。

在盐城污泥项目中，主要对钢梁形式的轻钢屋面和网架结构屋面进行了研究和实践，在焦作隆丰项目，同样遇到了大跨度厂房屋面结构的选型问题。

焦作隆丰皮草企业有限公司固体废物综合处置与资源化利用工程，主车间屋面跨度为18～27 m，同样存在大跨度屋面问题。主体结构采用钢筋混凝土框排架结构形式，屋面可采用轻钢结构、网架结构，预制混凝土板形式；但由于本项目工艺系统生产过程产生腐蚀性较强的气体和污水，钢结构需要有很强的防腐蚀措施，经过研究对比，在本项目屋顶形式上考虑采用预制混凝土双T 板，针对这3 种形式进行对比研究分析，详见表2。

表2 3 种结构形式的优缺点对比

通过对比可以看到，屋面钢梁和屋面网架两个结构形式，用钢量基本持平，网架形式节点用钢量较大，加工制作费用较高。现场吊装安装也比较复杂，但网架形式在空间上能预留更多的高度空间，更有利于设备安装。

从结构稳定性和安全性的角度，3 种方案都能满足现行规范要求。对于轻钢结构和网架结构通过盐城项目比较，两种方案的优缺点一目了然。在隆丰固体废物处置项目中，重点研究了网架结构和预制混凝土双T 板的方案。

技术可行性：网架结构和预制混凝土双T 板都能满足要求；

工期方面：通过周密的工期进度计划，可以在工厂提前预制混凝土双T 板，两种方案的工期无明显区别；

工程成本控制方面：预制混凝土双T 板的成本比网架结构的成本有明显优势；

其他方面：预制混凝土双T 板在承载力和耐腐蚀性方面也比网架结构要强。

由于项目生产工艺要求，生产过程产生的废水和气体有很强的腐蚀性，由于网架结构杆体复杂杆件多且多为管状构件，所以，对于网架结构的防腐维护工作来说，维护工程量大，费用高；双T 板屋面承载力强，施工方便，耐腐蚀性好。综合考虑技术和造价两方面原因，最终屋面设计方案确定为双T 板形式。

5 结论

本文对盐城污泥处置项目和隆丰皮草固体废物综合处置项目的两个焚烧厂房屋顶形式进行研究，可以看出，轻钢结构、网架结构、预支混凝土板结构都可以满足大跨度厂家屋顶结构稳定要求，但不同方案在不同的适用性方面各有优缺点。无论哪种结构形式，除了满足结构安全的技术要求，还应满足工艺技术要求。从外观来看，轻钢结构和网架结构整体性较好，较美观；从承载力角度，预支混凝土板承载力更强。轻钢结构和网架形式屋顶承载力要求较低。从防腐维护工作来看，预支混凝土板也比轻钢结构和网架结构有优势。网架结构是一种空间结构，比轻钢结构更能节省厂房内空间，但施工吊装较复杂。通过对两个焚烧项目厂房屋顶形式的研究，可以为其他厂房项目屋顶形式的确定提供参考。