摘要：根據(jù)《抗震規(guī)范2008》版，重要建構(gòu)筑物應(yīng)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)分析。隨著火電廠容量的不斷增大，主廠房體積越來越大，需采用兩種以上的軟件進(jìn)行分析，本文通過使用STAADPRO軟件對火電廠鋼結(jié)構(gòu)主廠房的三維分析設(shè)計(jì)，總結(jié)了設(shè)計(jì)過程中結(jié)構(gòu)布置，荷載取值、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及軟件使用等方面的經(jīng)驗(yàn)。

　　關(guān)鍵詞：三維設(shè)計(jì)、鋼結(jié)構(gòu);STAAD

　　一、前言

　　隨著國家經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，火力發(fā)電廠裝機(jī)容量不斷增大，百萬容量機(jī)組越來越多。由于百萬機(jī)組主廠房體型大，超出了混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)范圍，故一般采用鋼結(jié)構(gòu)。本文通過某印度鋼結(jié)構(gòu)主廠房的設(shè)計(jì)過程，對鋼結(jié)構(gòu)主廠房的設(shè)計(jì)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和探討。

　　二、工程概況

　　印度某4X600MW獨(dú)立電站，位于JHASUGUDA省，為新建工程。該地區(qū)基本風(fēng)壓0.5kpa,按照本工程的地質(zhì)勘測報(bào)告：廠址區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.12g。(中國規(guī)范,GB50011-2001)

　　由于建設(shè)地點(diǎn)及當(dāng)?shù)厥┕ぬ攸c(diǎn)等原因，該工程主廠房采用鋼結(jié)構(gòu)方案。橫向?yàn)閹е�撐的框排架結(jié)構(gòu)，依次為汽機(jī)房，除氧間、煤倉間，鍋爐房�？v向梁與框架柱采用鉸接。設(shè)支撐處縱梁與框架柱連接方式為固接。

　　本工程汽機(jī)房屋面梁采用焊接工字鋼截面，兩端與框架柱固結(jié)，減少了構(gòu)件斷面及撓度，使汽機(jī)房大空間結(jié)構(gòu)的整體性得到提高。

　　由于火電廠主廠房結(jié)構(gòu)布置一般要遵從于機(jī)務(wù)專業(yè)設(shè)備布置的要求，無法達(dá)到較規(guī)則的外形，荷載分布不均勻。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》3.4建筑設(shè)計(jì)和建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則型的要求，本工程從結(jié)構(gòu)布置，三維計(jì)算，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等方面采取了相應(yīng)措施，提高結(jié)構(gòu)整體性，減少了結(jié)構(gòu)不規(guī)則對結(jié)構(gòu)安全性的影響。

　　本工程通過采用帶支撐的橫向框架構(gòu)成了結(jié)構(gòu)的橫向抗側(cè)力體系，在B、C列間各跨設(shè)置了剛性支撐，縱向在每機(jī)組計(jì)算單元兩端分別設(shè)置了垂直柱間支撐，形成了有效的抗側(cè)力體系。在保證上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移計(jì)算滿足設(shè)計(jì)要求的情況下，本工程各框架柱腳與基礎(chǔ)采用鉸接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。

　　根據(jù)規(guī)范要求，本工程不應(yīng)采用平面結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行抗震分析，而應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行抗震分析，較常用的空間分析軟件有國內(nèi)PKPM系列的SATWE，國外的STAADPRO,SAP2000等，由于電廠荷載種類特別，荷載工況較多，抗震驗(yàn)算時(shí)需要調(diào)整各荷載類型的等效質(zhì)量參數(shù)與普通民建不同，故本工程選用了美國REI公司的通用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件STAADPRO進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，采用配套軟件SSDD進(jìn)行了鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的中國規(guī)范檢驗(yàn)。

　　三、設(shè)計(jì)過程

　　REI公司的STAADPRO工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件作為一款通用有限元設(shè)計(jì)軟件，有內(nèi)力計(jì)算準(zhǔn)確，可處理結(jié)構(gòu)內(nèi)容豐富，用戶可根據(jù)工程特點(diǎn)對設(shè)計(jì)參數(shù)自由調(diào)整等特點(diǎn)，完全滿足現(xiàn)代化電廠的設(shè)計(jì)計(jì)算要求。以上特點(diǎn)在本工程中的到充分的體現(xiàn)。

　　1.三維模型的建立

　　模型建立過程中應(yīng)特別注意結(jié)構(gòu)簡化應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)確定構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的幾何位置，桿件截面可通過選取截面庫的已定義好的截面數(shù)據(jù)，也可通過軟件本身的截面定義模塊進(jìn)行定義，在STAAD中可以對樓板厚度，容重，泊松比等參數(shù)進(jìn)行定義，可較為準(zhǔn)確的模擬樓板對整體結(jié)構(gòu)的受力及變形剛度影響。

　　主廠房梁、柱及支撐簡化為桿系結(jié)構(gòu)，STAAD/PRO軟件中對于桿件的固結(jié)及鉸接的定義是通過桿端彎矩釋放來完成的。對于支撐有兩種處理方式，定義成為桁架桿件或者對支撐桿件進(jìn)行桿端彎矩釋放。對于汽機(jī)房屋蓋的水平支撐，本工程采取了定義為桁架桿件的做法，其他如柱間支撐等位置則采取了桿端彎矩釋放的方式進(jìn)行定義。

　　2.荷載輸入及處理

　　根據(jù)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主廠房荷載分類較多，荷載組合雖然原則上遵照國家規(guī)范，但部分運(yùn)行荷載的分項(xiàng)系數(shù)有特殊要求，需要對荷載組合進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，如果計(jì)算軟件無法提供上述功能，實(shí)際工程設(shè)計(jì)只能套用相鄰較大的分項(xiàng)系數(shù)，設(shè)計(jì)冗余過大造成材料浪費(fèi)。STAAD/PRO可以提供設(shè)計(jì)人員手動(dòng)進(jìn)行荷載組合分項(xiàng)式的模式，很好的解決了上述問題，另外該軟件的輸入文件是一個(gè)可編輯的文本文檔，已經(jīng)寫好的荷載組合方程式可通過粘貼復(fù)制的方式進(jìn)行重復(fù)利用，大大減少了以后類似工程的工作量。

　　3.鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件驗(yàn)算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　經(jīng)過STAAD/POR軟件的初步內(nèi)力計(jì)算后，就可以將計(jì)算結(jié)果代入SSDD中國規(guī)范檢驗(yàn)程序包中對構(gòu)件進(jìn)行規(guī)范檢驗(yàn)和桿件優(yōu)化。SSDD中內(nèi)置了截面優(yōu)化程序，可以對初步選定的桿件進(jìn)行滿足規(guī)范范圍內(nèi)的調(diào)整。通過反復(fù)迭代計(jì)算，取得最優(yōu)結(jié)果，在該過程中，設(shè)計(jì)者是可以對優(yōu)化桿件的范圍及應(yīng)力比范圍進(jìn)行調(diào)整。

　　4.設(shè)計(jì)中所遇到的問題

　　在采用STAADPRO程序進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，截取振型數(shù)量的多寡，直接影響到參振質(zhì)量系數(shù)。根據(jù)《高規(guī)》5.1.13條及《抗規(guī)》5.2.2條文說明，振型個(gè)數(shù)一般可以取振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量90%所需的振型數(shù)。由于程序設(shè)定不同，要達(dá)到上述目標(biāo)，在STAADPRO中需要截取的振型數(shù)量過多，究其原因是因?yàn)樵撥浖�在振型排列是未濾掉大量的次要振型，影響了主振型的順序關(guān)系，在本工程的做法是調(diào)整部分產(chǎn)生小范圍次要振型的構(gòu)件，如設(shè)人字型柱間支撐的上端兩端鉸支梁，可調(diào)整為兩端固結(jié)或在支撐交叉處增設(shè)樓板有限元節(jié)點(diǎn)固定，有效的過濾掉由于次要構(gòu)件小范圍運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的振型，從而達(dá)到滿足規(guī)范要求的目的。

　　根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》5.3.3條，單層或多層框架等截面柱，在框架平面內(nèi)的計(jì)算長度應(yīng)等于該層柱的高度乘以計(jì)算長度系數(shù)μ�？蚣芊譃闊o支撐的純框架和有支撐框架，其中有支撐框架根據(jù)抗側(cè)移剛度大小分為強(qiáng)支撐框架和弱支撐框架。規(guī)范所提供的支撐類型判別式非常繁雜，在設(shè)計(jì)過程中不易操作，本工程采用簡化的判別，通過提取程序得出的節(jié)點(diǎn)最大位移，如層間相對位移小于1/1000,則可認(rèn)為是無側(cè)移框架，反之則為有側(cè)移框架。

　　四、主廠房鋼結(jié)構(gòu)布置的研究

　　1.工業(yè)建筑的廠房布置一般由工藝專業(yè)確定。例如本工程的主廠房，橫向布置依次為汽機(jī)房、除氧間、煤倉間。在設(shè)計(jì)中，鋼結(jié)構(gòu)主廠房一般采用帶支撐框架結(jié)構(gòu)。由于主廠房各部分剛度差異較大，就需要設(shè)計(jì)人員合理選取支撐形式及支撐布置，來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體性及完備的抗側(cè)力體系。在布置之中應(yīng)特別注意與其他專業(yè)的協(xié)調(diào)配合，避免支撐與工藝布置重合的現(xiàn)象發(fā)生。

　　2.主廠房縱向框架支撐跨縱梁設(shè)定為兩端鉸接進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)際施工圖設(shè)計(jì)時(shí)則按兩端固結(jié)進(jìn)行考慮，是對抗側(cè)力體系的補(bǔ)充設(shè)置，增大了整體結(jié)構(gòu)的安全余度。

　　3.主廠房樓板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板，平面內(nèi)剛度一般較大，可以有效的承擔(dān)由于設(shè)備運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的水平力，局部位置由于工藝布置的愿意需要開大洞口，該處應(yīng)設(shè)置水平支撐，以保持樓板平面內(nèi)剛度連續(xù)，并減少由洞口角部應(yīng)力產(chǎn)生的樓板開裂現(xiàn)象。

　　4.鋼結(jié)構(gòu)主廠房屋面，本工程采用兩端固結(jié)的實(shí)腹鋼梁，設(shè)水平支撐體系，相對于桁架屋面梁結(jié)構(gòu)，實(shí)腹鋼梁有設(shè)計(jì)簡單，施工快捷，使用人工少等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合國外人工費(fèi)用較貴，工期要求緊的工程。由于屋面梁兩端采用固結(jié)節(jié)點(diǎn)與鋼框架柱連接，有效減少了構(gòu)件撓度，并對提高主廠房整體性有明顯效果。

　　5.主廠房與外圍附屬建構(gòu)筑物連接保持獨(dú)立性，如主廠房與鍋爐平臺(tái)的連接，主廠房與輸煤棧橋的連接，應(yīng)采用鉸接節(jié)點(diǎn)支座或滑動(dòng)支座進(jìn)行連接。不同結(jié)構(gòu)單元的連接處應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求設(shè)抗震縫脫開。

　　五、材料選擇及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　1.由于主廠房是火力發(fā)電廠核心建筑，建筑體型及荷載均較大，C列柱腳荷載可達(dá)25000kN,在綜合考慮了材料的強(qiáng)度，耐久性及可加工性能后，最終選擇了Q345B型鋼材作為主廠房主要受力構(gòu)件的材料，對于支撐及樓面次梁等受力較小的構(gòu)件，則采用Q235B型鋼材進(jìn)行加工。對厚度≥40mm厚的鋼板均應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)《厚度方向性能鋼板》GB/T5313的規(guī)定，附加板厚方向的斷面收縮率，不得小于該標(biāo)準(zhǔn)Z15級(jí)規(guī)定的允許值。

　　2.依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)遵從“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件，強(qiáng)柱弱梁”的設(shè)計(jì)原則。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的條款8.2.8要求，設(shè)計(jì)中采用了節(jié)點(diǎn)處加腋，梁翼緣加蓋板等方式，加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)域，使構(gòu)件塑性鉸位置脫開節(jié)點(diǎn)區(qū)域。達(dá)到構(gòu)件先于節(jié)點(diǎn)破環(huán)的抗震目標(biāo)。另外還應(yīng)在設(shè)計(jì)中考慮構(gòu)件翼緣、腹板的寬(高)厚比，比面由于局部穩(wěn)造成的構(gòu)件破壞，此項(xiàng)滿足規(guī)范即可，否則會(huì)因?yàn)闃?gòu)件截面慣性矩過于居中造成材料浪費(fèi)。

　　3.由于本工程為國外工程，在施工圖設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮運(yùn)輸環(huán)節(jié)的限制，盡量避免出現(xiàn)超長、超寬構(gòu)件，造成裝船、裝車?yán)щy。

　　六、結(jié)語

　　在鋼結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)從工程實(shí)際出發(fā)，注意概念設(shè)計(jì)，合理選擇材料，結(jié)構(gòu)方案和構(gòu)造措施，滿足工程的各項(xiàng)相關(guān)要求，并優(yōu)先選擇標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件及標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)，減少施工難度。

　　相對于普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)建筑有強(qiáng)度高，自重輕，抗震性能優(yōu)越，施工簡便、快捷等優(yōu)點(diǎn)，以上優(yōu)點(diǎn)在海外項(xiàng)目中尤為明顯。隨著鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工技術(shù)的日益成熟。鋼結(jié)構(gòu)建筑必將在今后得到更大發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] GB50011-2001《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2008年版)

　　[2] GB50017-2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》

　　[3] JGJ99-98《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》

　　[4] DL5022-93《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》

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