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钢结构主厂房空间分析的设计研究

发表时间:2018-03-15 09:48

钢结构主厂房空间分析的设计研究


  随着国家经济的快速发展,钢结构在建筑领域起到了举足轻重的作用,扮演着越来越重要的角色,无论在工业还是民用建筑中,钢结构以其突出的特点迅速地占领着越来越广的市场。其特点有:其整体刚度和抗震性能好、施工速度快、自重轻、承载力高,在大跨度及超高层建筑中代替了钢筋混凝土结构,但也存在着防火性能差、易腐蚀等缺点,在设计中根据其特点扬长避短才能更好地发挥钢结构的作用,现在就钢结构工业厂房在设计中的几个问题作简单阐述
  目前国内常用的计算软件中,空间计算只是针对纯框架体系,不适合发电厂主厂房这种不规则的框排架结构体系。因此在过去的主厂房计算中,通常都是采用平面计算法,即计算一榀简化后的平面框排架。这种方法是近似的、粗略的,其结果也往往保守,造成材料的浪费。随着计算技术的发展,将一个温度段的所有结构元件建立在一个三维模型中来进行空间计算和分析已经成为可能。
  一.厂房布置
  1.1撑布置
  框排架是厂房骨架的主要承重构件,各个框架之间由屋面结构、屋盖纵横向支撑、现浇混凝土楼盖结构、柱间支撑以及其它纵、横两向抗侧构件连接在一起,组成一个框排架传递竖向荷载,柱间支撑、屋盖支撑传递水平荷载的空间工作结构体系。
  在各种类型的钢框架体系中,常规加设柱间支撑框架是最好的抵抗水平侧力的结构体系。本工程中,纵向A、B、C、D轴及汽机平台纵向结构上分别在2个柱距设置了垂直柱间支撑,使之形成了一个标准的常规支撑框架体系,有效地承担了纵向水平荷载。
  横向框架垂直支撑的布置原则是:满足规范要求和工艺要求。横向结构体系采用刚 、 铰、撑混合体系,横向框架榀榀设撑。原计划各榀框排架支撑全部设置在煤仓间,但由于煤仓间底层为消防通道,且布置有磨煤机的检修单轨吊,不允许设撑,造成支撑不能在煤仓间连续贯通到基础,故横向支撑从13.70m标高以下设置在汽机房加热器平台处,使 水平力从上部通过支撑传至13.70 m处后由水平横梁和刚性楼层横向传递到加热器平台柱,在此处支撑完成了水平力至基础的传递。由于工艺要求有较大工作空间,故支撑大部分选用人字撑。
  1.2刚性楼板的设计
  为保证空间体系的完整与刚度均匀分布,在局部缺少混凝土楼层处增加楼层水平钢支撑, 以满足结构水平作用的合理传递。本期工程煤仓间楼层不连续,形成空楼层,使楼层刚度分布不均匀,为了抵御刚度中心不均匀形成的扭矩,在空楼层处设置水平支撑,增设的水平支撑与钢梁形成的水平稳定桁架,可大大增强本楼层的刚度。
  为方便施工,缩短工期,主厂房各层楼面及除氧煤仓间屋面采用1.2mm厚镀锌压型钢板做永久底模,底模上现浇100mm厚钢筋混凝土板,连接件选用圆柱头焊钉。连接件的设计充分考虑了承担空间整体计算时刚性楼板协调各轴架构变形时产生的作用。
  二. 主厂房结构空间整体分析计算
  2.1建立三维模型
  首先建立一个完整的、尽可能精确的STAARD/CHINA三维空间模型。模型根据实际位置关系尺寸设立梁、柱、楼板、支撑等并赋予它们截面特性,即梁柱撑的断面尺寸、楼板厚度、材 料特性等。然后根据计算简图给出梁与柱、梁与撑、柱与基础的连接形式。在主厂 房三维模型中不仅设立了框排架梁柱,纵梁、各层楼板、楼层次梁、柱间支撑等主要构件, 同时汽机房屋面的水平支撑及系杆也全部在模型中得到体现。
  2.2 荷载的输入
  STAARD/CHINA软件中的荷载分组和荷载组合完全由设计人员设定,即由设计人员先根据荷载的最不利布置对其进行分组,得出基本工况,再按照基本组合原则,列出各种组合工况,然后逐一输入计算机中由程序完成组合计算。这与国内通用结构程序由程序自身对用户输入的荷载按照规范要求进行组合的方法有显著的区别,它可针对每一构 件特性进行设计,在结构设计中有很大的优越性。例如在设计主厂房时,可以针对框架的梁 、柱、支撑、柱脚内力设计,连接节点等不同构件,采用不同的荷载组合系数,选取最不利组合形式,设计出最优的截面。设计人员可以根据需要自由地进行荷载组合;同时也对设计人员的设计水平、对结构受力分析及荷载的认识水平提出了更高的要求。
  2.3 钢结构的设计优化
  在平面计算法中,一般先根据经验制定构件截面形式,再进行程序计算,最后由计算结果来反馈最终截面的合理性。而在STAARD/CHINA程序中,整个结构的钢结构截面都可以由程序通过结构优化的方法进行选择,程序中装备最先进的优化算法,可准确、快速地完成迭代计算。在输入文件中可以只给出截面类型,而不必提供具体的型钢编号,程序根据构件对整体刚度的贡献与所承受荷载的大小以自动迭代的方式进行优化选择, 最终选择出最经济构件截面,既满足规范要求,又满足整体结构的平衡方程。但这种方法耗时太多,对构件繁多的工程可采用另一种优化功能,即开始就定义某一构件的截面类型为工字钢,当程序进行设计时,如果所指定的截面太小,不满足所要求的应力比,程序会自动加大同类型工字钢截面,直至选出一个满足要求的最小界面,这一功能正是STAARD /CHINA程序的显著优点之一。
  三. 主厂房进行空间分析的优势
  3.1 主厂房采用空间结构计算方法充分考虑了屋面、刚性楼层的协调作用,更加符合厂房结构在荷载作用下的实际受力情况,克服了以往平面杆系结构分析无法避免的荷载重复作用和作用分配过大的缺点。根据本工程计算对比,空间结构内力分析结果与平面分析方法相比整体内力包络小5%~8%,局部构件内力降低20%以上,效果明显。经计算,主厂房单位面积用钢量为26kg/m2,与2000年示范电厂耗材指标相比降低了10.3%。
  3.2 利用三维空间结构分析可以处理平面分析中不易处理的结构问题,尤其是在工艺布置有特殊要求时,空间整体分析方法更显出其优势。
  3.3主厂房空间模型一经建立,可贯穿厂房建设的全过程使用,伴随工艺的变更,可随时对结构进行核算。主厂房建设涉及机、电、土、煤、灰等数十个专业,各专业在厂房建设中常会有变更荷载的情况,这对厂房结构有或多或少的影响。以往平面计算时,需将荷载重新推导到主框架上进行验算,非常繁琐;而在STAARD/CHINA程序建立的三维立体模型中,则可随时将新增荷载点加到模型中,进行空间整体计算,验证结构的可靠度,便于校核查找荷载作用点。
  3.4 三维空间计算不仅在理论上比平面计算更合理、更准确,而且在实际工程中可大大简化计算工作量。以往工程进行平面设计时,主体结构至少要安排3人分别计算横向框架、纵向框架和楼层;而采用三维计算,仅1人即可完成结构计算,大大减少了各分卷册的计算工作量,有利于提高工作效率。
  三维空间设计卓越的功能,越来越引起设计者的重视和喜爱,在众多电厂的招投标中,业主对能够采用三维设计技术的设计方案更加青睐,能否采用三维设计技术已成为设计水平和设计能力的重要体现,火力发电厂主厂房三维计算必将是设计发展的趋势。


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