豐滿水電站全面治理（重建）工程發(fā)電廠房屋架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王寶忠，魏子鈞

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 工程概況

豐滿水電站全面治理（重建）工程（以下簡(jiǎn)稱“豐滿重建工程”）是在豐滿老壩下游120.00 m位置新建一座混凝土重力壩，工程完工后仍保持原豐滿電站的任務(wù)和功能，主要任務(wù)是發(fā)電，可兼顧供水、防洪等其他效益。

新電站擋水建筑物采用碾壓式混凝土重力壩，采用壩后式廠房，引水發(fā)電系統(tǒng)位于擋水建筑物右岸側(cè)，廠房?jī)?nèi)安裝6臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量200 MW，重建工程保留原豐滿三期2臺(tái)單機(jī)容量140 MW的機(jī)組，因此重建工程裝機(jī)容量共計(jì)1 480 MW。

新建發(fā)電廠房主廠房尺寸為227.00 m×32.00 m×70.95 m（長(zhǎng)×寬×高），主機(jī)間長(zhǎng)度為170.50 m，安裝間長(zhǎng)度為56.50 m，其中，中間機(jī)組段（2—6號(hào)機(jī)組段）長(zhǎng)度均為28.00 m，端機(jī)組段（1號(hào)機(jī)組段）長(zhǎng)度為30.50 m。

2 屋架結(jié)構(gòu)型式選擇

2.1 方案擬定

主廠房屋架擬采用鋼屋架結(jié)構(gòu)。招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，鋼屋架采用螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、雙面坡形式，屋面坡度為6%，上覆輕質(zhì)混凝土復(fù)合屋面板。施工圖階段，考慮到屋面排水、凍融破壞等影響，根據(jù)廠區(qū)景觀規(guī)劃及建筑單體設(shè)計(jì)方案，屋面排水方式由有組織排水變更為無(wú)組織排水，屋面由雙面坡變更為單面坡，坡向上游側(cè)。同時(shí)，為了滿足廠房?jī)?nèi)部光照需求，屋頂增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)框架的采光天窗。為了保證廠房屋面結(jié)構(gòu)具有良好的耐久性及保溫防水性能，屋面由憎水巖棉保溫板、石墨烯聚氨酯保溫層、三元乙丙橡膠卷材防水層、50 mm厚C25細(xì)石混凝土面層等組成。

2.2 方案比選

2.2.1 結(jié)構(gòu)安全性

從結(jié)構(gòu)受力角度來(lái)看，螺栓球網(wǎng)架為空間受力結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)受力較復(fù)雜，其承載力受高強(qiáng)螺栓的規(guī)格限制，最大受拉桿件設(shè)計(jì)拉力值不超過(guò)1 000 kN，使得螺栓球網(wǎng)架更適合于跨度小、荷載小的中小型網(wǎng)架屋蓋結(jié)構(gòu)；管桁架為平面受力結(jié)構(gòu)，受力結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、屋蓋剛度大、結(jié)構(gòu)整體性能好，管桁架結(jié)構(gòu)截面材料繞中和軸較均勻分布，使截面同時(shí)具有良好的抗壓和抗彎扭承載能力及較大剛度。

從結(jié)構(gòu)變形角度來(lái)看，螺栓球網(wǎng)架未按照設(shè)計(jì)形成約束前剛度差、變形大、易產(chǎn)生撓度，尤其當(dāng)螺栓球網(wǎng)架在高空散拼時(shí)，臨時(shí)支撐必須保證穩(wěn)定，在球網(wǎng)架進(jìn)行整體滑移或者分塊吊裝時(shí)，必須保證每一個(gè)球節(jié)點(diǎn)都不發(fā)生問(wèn)題，否則將有可能引起屋架結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)，導(dǎo)致屋架結(jié)構(gòu)坍塌事故發(fā)生；管桁架結(jié)構(gòu)不用節(jié)點(diǎn)板，構(gòu)造簡(jiǎn)單，由冷彎薄壁型鋼制作的鋼管屋架，具有結(jié)構(gòu)輕、剛度好、節(jié)省鋼材，以及能充分發(fā)揮材料強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)約鋼材的同時(shí)其結(jié)構(gòu)整體性能更加突出，施工過(guò)程中進(jìn)行屋架整體吊裝與滑移時(shí)，更易控制結(jié)構(gòu)變形。

豐滿重建工程廠房跨度為32.00 m，廠房鋼屋架長(zhǎng)期工作在有機(jī)組振源的工況下，因此，根據(jù)上述對(duì)比分析，采用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好、屋蓋剛度大的管桁架有利于屋架的安全穩(wěn)定。另外，由于廠房屋面采用單面坡的形式，如若采用螺栓球網(wǎng)架，網(wǎng)架連桿、斜杠、球等受力不均勻，而管桁架結(jié)構(gòu)中的桿件均為圓管桿件，桁架中的桿件大部分情況下只受軸線拉力或壓力，應(yīng)力在桿件截面上均勻分布。

2.2.2 防腐可靠性

螺栓球網(wǎng)架采用絲扣連接，接口處很難做到徹底防腐要求，特別是在有振動(dòng)的工作環(huán)境中，易松動(dòng)，易產(chǎn)生銹蝕；管桁架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案當(dāng)中，各桿件之間相交方式采用相貫線形式，桿件切割加工等工作流程均通過(guò)機(jī)械自動(dòng)切割來(lái)完成，管桁架節(jié)點(diǎn)處均采用焊接，焊口防腐處理徹底。

2.2.3 施工難度

由于豐滿廠房屋面跨度大、荷載大，桿件內(nèi)力較大，如若采用螺栓球網(wǎng)架，球徑大、球體重，施工不便?，F(xiàn)場(chǎng)拼裝螺栓球網(wǎng)架過(guò)程當(dāng)中，必然存在累計(jì)誤差，造成桿件尺寸的偏差，而所有桿件、球體都是通過(guò)工廠預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法進(jìn)行更改，若施工人員通過(guò)強(qiáng)行就位，會(huì)造成球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的安裝應(yīng)力較大，嚴(yán)重時(shí)，會(huì)導(dǎo)致個(gè)別桿件失穩(wěn)；并且，由于存在尺寸偏差問(wèn)題，也會(huì)影響高強(qiáng)螺栓的擰入程度，形成更大的安全隱患。螺栓球網(wǎng)架還存在互換性差的問(wèn)題，同規(guī)格球、桿件互換難度大。施工中，若出現(xiàn)個(gè)別螺栓球質(zhì)量不合格或螺栓球丟失，施工現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法自行處理，需待廠家重新加工運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)。

在螺栓球網(wǎng)架實(shí)際安裝過(guò)程中，其所受剪力較大，很容易在高強(qiáng)螺栓未完全擰緊時(shí)斷裂，頂絲斷裂后，很難更換，導(dǎo)致螺栓不能擰緊，造成安全隱患。相比之下，管桁架結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性能更優(yōu)，扭轉(zhuǎn)剛度更大，從制作、安裝及起吊等方面都便于施工。

2.2.4 美觀性

近年來(lái)，管桁架結(jié)構(gòu)已被廣泛使用到各類建筑物當(dāng)中，通過(guò)鋼管結(jié)構(gòu)可以將人們對(duì)建筑物的功能、感觀及經(jīng)濟(jì)效益三方面的要求完美地結(jié)合起來(lái)。對(duì)比網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，管桁架結(jié)構(gòu)不設(shè)置下弦縱向桿件，也省去了球節(jié)點(diǎn)，能最大限度地滿足各類建筑形式的要求?？紤]豐滿廠房屋面排水、防冰要求，豐滿廠房屋架采用單面坡的形式，采用屋頂采光方式，管桁架能夠滿足造型及采光要求。螺栓球網(wǎng)架在屋頂采光的情況下，光線照在螺栓球網(wǎng)架上，陰影落在地上，顯得雜亂無(wú)章而缺乏美感。因此，從美觀性角度比較，管桁架結(jié)構(gòu)更優(yōu)于螺栓球網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

2.2.5 經(jīng)濟(jì)性與耗材

管桁架結(jié)構(gòu)通常選用冷彎薄壁型鋼進(jìn)行制作，其結(jié)構(gòu)相較球網(wǎng)架質(zhì)量更輕、剛度更大，能夠?qū)⒉牧蠌?qiáng)度充分發(fā)揮，在應(yīng)用于某些受長(zhǎng)細(xì)比控制的壓桿結(jié)構(gòu)或者支撐系統(tǒng)中更能突出其經(jīng)濟(jì)性能。

豐滿廠房屋架原設(shè)計(jì)鋼材為Q235B，在施工圖階段，考慮到廠房屋架具有較大屋面雪荷載、單面坡、大跨度等特點(diǎn)，在同等荷載情況下，如繼續(xù)采用Q235B鋼材，無(wú)論是管桁架還是球型鋼網(wǎng)架，都會(huì)造成較大的桿件斷面，增大用鋼量，加大拼裝、吊運(yùn)、焊接的難度，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工安全造成較大影響。采用高一強(qiáng)度等級(jí)的鋼材，就可通過(guò)減小結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸的方式盡量降低施工難度，避免以上情況的發(fā)生。

吉林豐滿地區(qū)多年極端最低氣溫為-42.5℃，考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工安排在11月中下旬，當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁?、最低氣溫均低?℃，焊接過(guò)程中，鋼屋架是在負(fù)溫情況下進(jìn)行施工，在焊接完成后，不具備屋面系施工條件（永久保溫層無(wú)法施工完成），為保證焊接質(zhì)量及負(fù)溫條件下屋架的整體受力穩(wěn)定，宜采用D型鋼材（C型鋼材的抗沖擊試驗(yàn)溫度為0℃，D型鋼材的抗沖擊試驗(yàn)溫度為-20℃）。Q345D型鋼材較Q235B型鋼材的雜質(zhì)S和P更少，有利于控制焊接裂縫，-20℃的低溫環(huán)境下沖擊性能更加優(yōu)越，在零件具有不可避免的應(yīng)力集中、微小裂紋時(shí)不致突然斷裂而造成事故。

綜上，推薦屋架結(jié)構(gòu)采用Q345D型鋼材。

3 結(jié)構(gòu)計(jì)算

3.1 計(jì)算模型

1）采用通用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件Midas Gen進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

2）橫向?yàn)橹麒旒芄?6榀，采用下弦支承，縱向用5榀通長(zhǎng)次桁架連接，保證結(jié)構(gòu)側(cè)向穩(wěn)定。

3）邊界條件。為了考慮下部結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度，將下部牛腿也建入模型中進(jìn)行整體分析。由于結(jié)構(gòu)縱向較長(zhǎng)，溫度應(yīng)力明顯，且牛腿較高，側(cè)向沒(méi)有支撐體系，一旦側(cè)向力較大，則牛腿底部將產(chǎn)生很大的彎矩，故必須將側(cè)向力釋放。實(shí)際工程中設(shè)置溫度縫可以解決這個(gè)問(wèn)題，但設(shè)縫后屋面鋪設(shè)、防水處理都將變復(fù)雜，故使用側(cè)向可滑移支座釋放側(cè)向力。在鋼桁架與牛腿之間采用彈性連接模擬支座剛度，將縱向剛度釋放。

屋架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

圖1 屋架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

3.2 計(jì)算成果

1）結(jié)構(gòu)主要振型成果：第一周期為0.909 s，第二周期為0.676 s，第三周期為0.666 s。

2）整體位移成果：主結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)組合豎向變形為45 mm，主結(jié)構(gòu)縱向水平位移為64 mm，主結(jié)構(gòu)橫向水平位移為17 mm。

3）應(yīng)力比成果：主結(jié)構(gòu)為0.813，天窗為0.975。

結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都能滿足要求，主桿件應(yīng)力比控制在0.82以下。

4 結(jié)語(yǔ)

在招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，豐滿重建工程主廠房鋼屋架設(shè)計(jì)方案采用的是螺栓球網(wǎng)架型式，施工圖設(shè)階段，考慮到屋面排水、凍融破壞等影響，屋面由雙面坡變更為單面坡，同時(shí)為了滿足廠房?jī)?nèi)部光照需求，屋頂增設(shè)鋼結(jié)構(gòu)框架采光天窗。通過(guò)安全性、施工難度、美觀性、經(jīng)濟(jì)性及耗材等多方面的對(duì)比，為了更好地滿足廠房整體造型、采光、屋面排水等的需求，保證施工安全，豐滿重建工程發(fā)電廠房屋架型式最終按管桁架型式進(jìn)行設(shè)計(jì)并施工，其鋼材型號(hào)選用Q345D，該屋架結(jié)構(gòu)完美地滿足了新建發(fā)電廠房的功能要求、感觀要求及經(jīng)濟(jì)效益要求。