火力發(fā)電廠汽機房屋面各結(jié)構(gòu)體系的綜合比較
　　林靜
　　廣西賽富電力勘察設(shè)計有限公司廣西南寧530021
　　摘要：本文對火力發(fā)電廠中汽機房屋面各結(jié)構(gòu)體系進行了分析研究，并通過對屋面建筑圍護、經(jīng)濟性、保溫隔熱、排水、施工安裝等因素的綜合比較。描述了各自的優(yōu)缺點和適用范圍，供業(yè)內(nèi)人士參考。
　　關(guān)健詞：汽機房屋面；結(jié)構(gòu)體系；適用范圍
　　目前，火力發(fā)電廠汽機房屋面結(jié)構(gòu)體系主要有：鋼屋架屋面體系、鋼網(wǎng)架屋面體系、門式鋼實腹梁屋面體系等。各種屋面形式均有其優(yōu)缺點及適用范圍，設(shè)計時需根據(jù)實際情況合理選擇。
　　一、汽機房屋面承重結(jié)構(gòu)形式比較
　　1.1鋼屋架屋面體系的優(yōu)缺點
　　鋼屋蓋體系的最大優(yōu)點是承載能力高，國內(nèi)外幾乎所有大跨度重屋面的承重結(jié)構(gòu)均采用鋼屋架結(jié)構(gòu)，根據(jù)屋蓋變形要求及桿件內(nèi)力大小，可采用熱軋鋼管、熱軋角鋼、熱軋H型鋼以及焊接型鋼等材料。鋼屋蓋體系在沿屋架方向的剛度極大，在吊車荷載、風(fēng)荷載等橫向水平作用下屋蓋變形較小。
　　鋼屋架與柱的連接可分為鉸接和剛接，在火電廠結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般采用鉸接連接。鋼屋架為平面受力體系，其傳力路線過長，一個薄弱部位的破壞，就會造成整個結(jié)構(gòu)倒塌，沒有概念設(shè)計中所需的結(jié)構(gòu)延性設(shè)計，而且其平面內(nèi)外剛度相差較大，因此整個體系的抗震性能遠遠不如超靜定的空間結(jié)構(gòu)。
　　1.2鋼網(wǎng)架屋面體系的優(yōu)缺點
　　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種具有良好受力性能的空間結(jié)構(gòu)體系，整體剛度均勻、整體受力均勻，在個別桿件受到損壞的情況下，內(nèi)力經(jīng)過重新分布后結(jié)構(gòu)體系仍然可以繼續(xù)工作，具有良好的抗震性能；可以按照建筑要求，適應(yīng)各種找坡形狀：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)采用空間計算分析軟件進行設(shè)計，能夠考慮各種荷載工況的作用，使各桿件用鋼量均達到最優(yōu)，總體用鋼量得以降低；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為工廠加工、現(xiàn)場組裝，不僅施工周期短，還可以保證制作質(zhì)量，節(jié)約施工場地。目前網(wǎng)架安裝方法呈多樣化。常用的方法有：高空散裝法，分條分塊安裝法，高空滑移法，地面拼裝整體吊裝，地面拼裝整體提升，地面拼裝整體頂升等方法。
　　網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的缺點是當(dāng)設(shè)計荷載較大時需采用焊接球節(jié)點，節(jié)點球與支托連接需高空作業(yè)，使安裝難度增加，此時網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性較差，安裝質(zhì)量難以控制，曾經(jīng)某300MW機組汽機放房屋面網(wǎng)架結(jié)構(gòu)由于施工質(zhì)量問題造成重大坍塌事故，因此網(wǎng)架結(jié)構(gòu)需要由專業(yè)制作公司進行加工和施工，招標委托程序繁雜，施工配合問題較多。
　　1.3門式鋼實腹梁屋面體系的優(yōu)缺點
　　門式鋼實腹梁+復(fù)合保溫屋面彩板屋蓋體系是主要以《門式剛架輕型房屋鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》CECS102：98為設(shè)計理論基礎(chǔ)，屋面鋼梁與A，B列柱鉸接連接，屋面支撐體系也較鋼屋架體系簡單，支撐與屋面斜梁上翼緣相連。一般輕型廠房為了節(jié)省鋼材，斜梁的翼緣及腹板都比較薄，設(shè)計時可以利用鋼材的屈曲后強度，但是考慮到屋頂風(fēng)機的振動荷載作用，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003中要求受動力荷載的結(jié)構(gòu)不能按塑性設(shè)計，因此斜梁翼緣、腹板的寬(高)厚比均滿足普通鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)定。另外，為了使屋面結(jié)構(gòu)簡捷美觀，取消傳統(tǒng)輕鋼結(jié)構(gòu)中斜梁上為減小平面外計算長度的隅撐，并對風(fēng)荷載垂直屋面的吸力進行驗算。
　　鋼實腹屋面梁結(jié)構(gòu)為滿足以上要求，需采用較大截面，其經(jīng)濟性能較差，而焊接變截面工字鋼具有受力簡單明確、現(xiàn)場加工量少、安裝方便；可根據(jù)梁截面彎距包絡(luò)圖的形狀大小，設(shè)計成變截面形式：在屋脊處的拼接，常用高強螺栓加焊縫的混合連接，節(jié)點安全可靠：在滿足工藝運行要求凈高的前提下可降低汽機房的高度約1.5m；屋面質(zhì)心距柱頂較近，地震力影響小。實腹鋼梁與柱頂通常為鉸接連接，使結(jié)構(gòu)受力明確，計算簡便可靠。節(jié)點構(gòu)造簡單，施工方便，對溫度應(yīng)力和不均勻沉降不敏感。另外，門式剛架鋼實腹屋面梁為雙坡屋面，排水距離較短，有利于屋面排水設(shè)計。
　　門式鋼實腹梁屋面的缺點是在較大荷載作用下屋面結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生較大變形，《門規(guī)》中對屋面斜梁的最大撓度限制為1/180，遠大于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003中1/500。因此，從經(jīng)濟性及安全性考慮，門式鋼實腹梁屋面結(jié)構(gòu)僅適用于輕型圍護屋面體系。
　　二、重屋面與輕型屋面的比較
　　2.1重屋面結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點
　　屋面板采用預(yù)制槽型板、鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)時為重屋面，其結(jié)構(gòu)耐久性好，屋面防水層更換時不影響電廠正常運行。保溫隔熱性能好，當(dāng)汽機房獨立單元縱向長度較大時，重屋面有利于主廠房結(jié)構(gòu)抵抗溫度應(yīng)力作用。屋面剛度較大，屋頂風(fēng)機的振動影響不顯著，還可以為兩側(cè)山墻提供可靠的支承。屋面質(zhì)量較大，可以有效減弱主廠房受風(fēng)振的不利影響：現(xiàn)澆混凝土屋面可以很好地防滲防漏，同時有較好的耐腐蝕性能。重屋面對下部支承結(jié)構(gòu)要求高，使工程一次性投入費用較高：對地基沉降敏感。
　　2.2輕型屋面結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點
　　圍護結(jié)構(gòu)采用復(fù)合保溫或單層屋面彩板的屋蓋系統(tǒng)為輕型屋面，其自重輕，屋面恒載(包括風(fēng)機自重，屋面夾芯板、擦條及支托)約為0.35kN/m2。輕屋面結(jié)構(gòu)單位面積的自重約為重屋面的1/5，可以大幅度減輕結(jié)構(gòu)負荷，降低下部結(jié)構(gòu)的造價，綜合效益好：方便運輸和吊裝，連接簡單，安裝方便，施工周期短；輕型屋面的缺點為耐腐蝕性差，使用壽命較短，進口板材性能較好但是價格昂貴，更換屋面彩板時對電廠運行影響較大，另外，在強風(fēng)作用下容易發(fā)生屋面板被掀起等事故，設(shè)計時需要考慮多種因素的影響。
　　2.3NALC板的優(yōu)缺點
　　隨著建筑材料新技術(shù)的快速發(fā)展，蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板(以下簡稱NALC板)系指采用以水泥、石灰、砂為原料制作的高性能蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板材，具有輕質(zhì)高強、耐火、隔熱、隔音、無放射性、產(chǎn)品精度高(工廠制作)、施工安裝便捷、能適應(yīng)大的層間變位、抗震性能好等諸多優(yōu)點。根據(jù)屋面鋼結(jié)構(gòu)次梁間距通常選用厚度為150mm規(guī)格，允許荷載約為1200(N/m2)，不含板自重屋面恒載約200(N/m2)，1200-200=1000(N/m2)符合規(guī)范活荷載為1000(N/m2)的規(guī)定。150厚NALC屋面板熱阻指標0.81R、熱惰性指標2.82D、傳熱阻指標0.9680、傳熱系數(shù)指標0.94K，符合規(guī)程要求，可做保溫層，屋面建筑結(jié)構(gòu)自重約為0.98(KN/m2)。
　　屋面建筑做法為：2道三元乙丙橡膠防水卷材、板縫處理、150厚NALC屋面板，屋面材料造價約為250元/價格m2。
　　三、雙坡屋面與單坡屋面
　　根據(jù)國內(nèi)相關(guān)工程的設(shè)計經(jīng)驗，對于雨水量較大地區(qū)并采用壓型鋼板屋面工程，應(yīng)優(yōu)先考慮采用雙坡屋面。
　　首先，根據(jù)《屋面工程技術(shù)規(guī)范》GB50207-94中4.3.10條，一根落水管的屋面最大匯水面積宜小于200平方米；《建筑設(shè)計資料集》中也有要求排水區(qū)一般按每個雨水口排除除150m2~200m2屋面(水平投影)雨水劃分。常見工程汽機房柱距10m，跨度30.6m，每根匯水管的面積為306m2，超過建筑設(shè)計要求的上限。
　　其次，《門規(guī)》中對檁條、屋面板的撓度控制僅要求不大于1/150，因此，輕型屋面的剛度較小，通常在荷載作用下的變形較大，當(dāng)屋面排水路線過長、雨水流量較大時，屋面局部可能出現(xiàn)壓型鋼板咬合不嚴的情況，發(fā)生虹吸作用或風(fēng)作用下的滲、漏水現(xiàn)象。另外，為盡可能減少屋面板接口數(shù)量，通常采用整張壓型板沿跨度方向鋪設(shè)，因此板的長度較大，在反復(fù)變化的溫度作用下，將在部分屋面板固定螺釘附近發(fā)生撕裂現(xiàn)象，或使屋面板局部鼓起，引起嚴重的滲漏水現(xiàn)象。
　　工程實踐己驗證輕鋼屋面采用雙坡排水較為有利。如山東華能日照電廠(2X300MW)鋼結(jié)構(gòu)主廠房由美國電力設(shè)計公司FORSTERWHEELER負責(zé)，汽機房跨度為32.40m，屋面為雙坡輕鋼屋面，排水坡度1/10。此電廠已投產(chǎn)運行六年以上，輕鋼屋面未出現(xiàn)任何異�，F(xiàn)象。國內(nèi)設(shè)計的華能沁北電廠(2x600MW)汽機房跨度30.60m，采用雙坡輕鋼屋面，已順利投產(chǎn)。對于重屋面而言，其防水性能極為優(yōu)良，不存在上述問題，國內(nèi)大多數(shù)機組汽機房均采用單坡重屋面。隨著輕鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，近年來已逐步應(yīng)用到電力行業(yè)中，但是一些部門在設(shè)計中，只是簡單的采用壓型鋼板替代了原先的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，尚未注意到輕鋼屋面的一些特殊要求。
　　四、汽機房屋面的經(jīng)濟性比較
　　各類屋面結(jié)構(gòu)造價經(jīng)濟性比較(單位：元)
　　屋蓋體系 單位面積用鋼
　　量(kg/m') 鋼屋架、網(wǎng)架
　　單價(元/t) 屋面及保溫
　　防水(元/m') 單位面積造價
　　(元/m')
　　鋼屋架十預(yù)制硅板 65.20 10000 520 1172
　　鋼屋架十組合砼板 70.95 10000 520 1229.5
　　鋼屋架+輕型屋面 35.0 10000 350 750
　　網(wǎng)架+輕型屋面 34.0 12000 350 808
　　網(wǎng)架+NALC板 38.0 12000 219×1.3 741
　　門式鋼梁十NALC板 48.0 8000 219×1.3 668.7
　　門式鋼梁+輕型屋面 40.5 8000 350 674
　　《電力工程建設(shè)概預(yù)算定額》鋼屋架造價己包括屋面支撐結(jié)構(gòu)的費用，所以支撐不重復(fù)計算；
　　屋面及保溫防水中屋面結(jié)構(gòu)單價為450元/平方米，防水保溫單價為70元/平方米。輕型屋面
　　單價重已包括安裝及屋面檁條等費用。NALC板方案中1.3為施工取費系數(shù)。
　　由上表可以看出，門式鋼梁++NALC板屋面的經(jīng)濟性最好，但其施工較為復(fù)雜并具有與重屋面類似的一些缺點。因此通過綜合比較，門式鋼梁+輕型屋面方案的技術(shù)經(jīng)濟性最為優(yōu)越。在沿海地區(qū)受風(fēng)荷載較大，且對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕情況較為嚴重，輕型屋面材料標準需相應(yīng)提高，將使屋面的造價有小幅增加，但其經(jīng)濟性依然優(yōu)于其余方案。
　　五、結(jié)論
　　雙坡門式鋼實腹屋面可降低汽機房的高度，屋面質(zhì)心低，抗震性能好，對溫度應(yīng)力和不均勻沉降不敏感，屋面排水距離較短。總之，雙坡門式鋼實腹梁+復(fù)合保溫彩板屋面方案結(jié)構(gòu)簡捷美觀、受力明確、現(xiàn)場加工量少、安裝方便、安全可靠、經(jīng)濟效益顯著，是替代傳統(tǒng)屋面體系的一種合理結(jié)構(gòu)形式。
　　參考文獻：
　　[1]李芳,許懷宇.火電廠汽機房屋面兩種結(jié)構(gòu)體系的分析比較[J].武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）,2004,37(z1)
　　[2]劉剛.汽機房屋面網(wǎng)架整體提升方案研究與分析[J].武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）,2004,37(z1)

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