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        某水電站廠房屋架方案的比較選擇

        2015-04-29 00:00:00張仁平李衛(wèi)斌
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2015年27期

        摘 要:在水電站的設(shè)計(jì)和施工過程中,選擇不同類型的廠房屋架,不僅影響工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo),對于制造、安裝質(zhì)量和施工進(jìn)度也存在著較大的影響。文章針對國外某大型水電站廠房的屋架,從強(qiáng)度和抗震性能、經(jīng)濟(jì)效益、施工安排和施工進(jìn)度等方面比較了空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)兩種方案,綜合分析了兩者之間的優(yōu)劣,并最終確定選用空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu),節(jié)約了項(xiàng)目成本、加快了項(xiàng)目施工進(jìn)度。

        關(guān)鍵詞:屋架;空間網(wǎng)架;預(yù)應(yīng)力混凝土梁

        前言

        中東地區(qū)在建的某水電站EPC項(xiàng)目,為引水式電站,總裝機(jī)容量為460MW(包括兩臺225MW的立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組和兩臺5MW的臥式混流式水輪發(fā)電機(jī)組)。該項(xiàng)目位于地震多發(fā)區(qū),廠房設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)地震(DBE)采用周期地震載荷。本項(xiàng)目中,DBE的水平地震動峰值加速度(PGA)為0.36g,垂直PGA為0.31g。最大設(shè)計(jì)地震(MDE)的水平PGA為0.49g,垂直PGA為0.45g。該電站廠房為地面廠房,廠房屋頂總長100.5m、跨度28.0m、總面積2814.0m2(投影面積)。廠房屋架的選擇需要考慮許多因素,例如平面形狀和尺寸、支撐方式、荷載、材料、建筑結(jié)構(gòu)和要求、制造和安裝方法等。因此,需要綜合分析經(jīng)濟(jì)性、合理性、安全性、實(shí)用性,并綜合考慮實(shí)際條件來確定屋架的類型。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中,初步選擇空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)兩種屋架方案。經(jīng)過有限元計(jì)算論證,兩種方案均能滿足廠房跨度和荷載要求。在此基礎(chǔ)上,文章對兩種方案的價(jià)格、抗震性能、安裝難易、施工時(shí)間、外觀等進(jìn)行了比較,選擇其中性價(jià)比較高的方案作為最終方案。

        1 方案概述

        1.1 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

        空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的平面尺寸為100.5m×28.0m(長×寬),結(jié)構(gòu)型式為高強(qiáng)螺栓球節(jié)點(diǎn)正方四角錐網(wǎng)架??臻g網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的多樣性能夠滿足各種建筑物的使用需求,其組成部件上弦、底弦和網(wǎng)絡(luò)部件主要承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力??臻g網(wǎng)架屋頂通過兩條傾斜度為5°的斜坡進(jìn)行排水,雨水由斜坡排進(jìn)天溝,然后經(jīng)由雨水管流進(jìn)地面排水渠。空間網(wǎng)架屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)使用壽命為50年。

        1.2 預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)

        該項(xiàng)目廠房跨度大約28m,如使用混凝土梁結(jié)構(gòu),屋架的自重就相當(dāng)大,且只有在操作層至屋頂段的墻體完工后才能開始澆砼。這種施工難度大,影響其它部位的施工和機(jī)組安裝,而且,混凝土也易產(chǎn)生裂縫。因此,需要采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁。預(yù)應(yīng)力梁的截面尺寸為1500mm×2000mm(長×寬),預(yù)應(yīng)力二期混凝土梁的截面尺寸為500mm×1000mm(長×寬)。采用預(yù)拉伸法來制作預(yù)應(yīng)力混凝土梁。首先將鋼筋在倉面上拉緊,然后臨時(shí)固定直至混凝土澆筑并凝固。澆筑完的混凝土中產(chǎn)生一定的應(yīng)力后,才可對預(yù)拉伸的鋼筋進(jìn)行剪切或放松。鋼筋剪切后會產(chǎn)生彈性收縮,但由于鋼筋和混凝土間存在粘聚力,混凝土?xí)拗其摻畹氖湛s,于是混凝土內(nèi)就會產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力。

        2 受力和抗震性能分析比較

        2.1 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

        (1)這種結(jié)構(gòu)完整性、抗震性好,且能夠承受不同方向的載荷。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是一種高度靜態(tài)固定的結(jié)構(gòu),力的傳導(dǎo)清晰分明,荷載均勻分布在整體結(jié)構(gòu)上且整體剛度均勻。即使某些部件產(chǎn)生塑性變形,內(nèi)應(yīng)力重新分配后,整體網(wǎng)架仍然能夠安全可靠地運(yùn)行。這種結(jié)構(gòu)具有相當(dāng)?shù)淖冃芜m應(yīng)能力。[1](2)結(jié)構(gòu)安全性提高了。部件的內(nèi)應(yīng)力和對支撐的反作用力均低于平面屋架系統(tǒng),由此可以減小部件截面積、提高承載能力,相應(yīng)的整體安全性也就提高了。(3)空間結(jié)構(gòu)由網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和上下游墻體組成。在橋機(jī)垂直輪壓和橫向水平制動力的作用下,廠房結(jié)構(gòu)是空間受力的(對于單層屋頂結(jié)構(gòu)則是平面受力),空間結(jié)構(gòu)可以減小軌道頂部的位移、增強(qiáng)橫向的剛度。(4)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)還可以承受地基不均勻沉降帶來的不利影響。

        2.2 預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)

        (1)由于拉伸工藝和材料特性的影響,安裝過程中預(yù)應(yīng)力將逐漸減小。(2)相比網(wǎng)架結(jié)構(gòu),預(yù)應(yīng)力混凝土梁的自重非常大,結(jié)構(gòu)的承載能力較差、安全性較低。(3)項(xiàng)目位于高強(qiáng)地震區(qū)。預(yù)應(yīng)力梁的垂直剛度和橫向剛度的區(qū)別相當(dāng)大,整體剛度不均勻,屋頂?shù)恼w抗震性不好。而且,由于預(yù)應(yīng)力梁的自重太大,將導(dǎo)致垂直方向的地震力較大,梁體抗震性能低。[2](4)如采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁,每個(gè)桁架都是在一個(gè)平面內(nèi)局部受力。與網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相比,軌道頂部位移相對容易增加,而橫向剛度則有所降低。

        3 經(jīng)濟(jì)效益分析比較

        3.1 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

        (1)與普通混凝土梁相比,空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可以充分使用高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土,減少鋼筋的使用量和截面積,降低自重,能夠?yàn)樵诖罂缍冉Y(jié)構(gòu)中使用混凝土結(jié)構(gòu)創(chuàng)造更好的條件。(2)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)形態(tài)美觀,同時(shí)可以降低頂部高度。使用空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu),屋頂?shù)淖灾亟档停麄€(gè)屋頂更顯輕靈和美觀,形態(tài)也更加多樣。由于鋼桁架的使用增加了3/5~4/5,這種結(jié)構(gòu)能夠允許建筑物的跨度更大一些。

        3.2 預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)

        (1)與普通混凝土梁相比,預(yù)應(yīng)力梁桁架結(jié)構(gòu)同樣可以更充分地使用高強(qiáng)鋼筋和高強(qiáng)混凝土。因此,鋼筋的用量降低、截面積減小,結(jié)構(gòu)自重也就降低,為在大跨度結(jié)構(gòu)中使用混凝土結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了更好地條件。(2)與空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)相比,預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)制作周期長,鋼筋的消耗大,需要的人工多,操作也復(fù)雜,成本更高。

        4 施工安排和進(jìn)度分析比較

        4.1 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

        (1)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)制作質(zhì)量有保障,占地少,設(shè)計(jì)和制作可以標(biāo)準(zhǔn)化,網(wǎng)架及節(jié)點(diǎn)備品可以提前按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造。提前制造的網(wǎng)架構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)備品重量輕,便于存儲、裝卸、運(yùn)輸和安裝。標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)可以有效提高制造質(zhì)量。螺栓連接方式可以加快安裝進(jìn)度并減少工地現(xiàn)場施工時(shí)間。(2)網(wǎng)架屋頂結(jié)構(gòu)尺寸小、重量輕。因此,不需要大容量的起重設(shè)備來進(jìn)行安裝。工地上的常規(guī)塔吊即可滿足起吊和安裝的需求,施工極為方便。此外,網(wǎng)架屋頂結(jié)構(gòu)的施工周期僅有普通屋頂?shù)?/2~1/3。[3](3)空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)需要由專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行安裝。

        4.2 預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)

        (1)預(yù)拉伸方法的優(yōu)勢在于制作程序簡單,對人工要求不高,便于保證施工質(zhì)量,而且不需要永久的固定部件,可以在一張長工作臺上同時(shí)生產(chǎn)若干個(gè)部件。(2)該項(xiàng)目廠房跨度較大,一根預(yù)應(yīng)力梁的自重就超過100t。因此,需要專門配備起重能力超過100t的起重設(shè)備。采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu),對于施工設(shè)備的要求較高,且施工工藝也相對復(fù)雜。(3)預(yù)應(yīng)力梁的安裝和連接難度較大。因二期梁和屋面板在現(xiàn)場澆筑,需要從操作層安裝腳手架至屋頂,而且腳手架的施工也有難度。采用預(yù)應(yīng)力梁桁架結(jié)構(gòu),會嚴(yán)重影響土建施工和機(jī)電設(shè)備安裝,工期將延長3~4個(gè)月。

        5 其它因素的分析比較

        5.1 空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

        空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)造型輕盈美觀,不需要吊頂,而且通風(fēng)良好。

        5.2 預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)

        (1)預(yù)應(yīng)力梁的抗裂性能較普通鋼筋混凝土要高,拓寬了混凝土結(jié)構(gòu)的使用范圍。(2)受力情況下,預(yù)應(yīng)力梁通常不會產(chǎn)生裂縫,耐用性強(qiáng)、剛度大、變形小。

        6 結(jié)束語

        綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、美觀性、施工安排、整體剛度、抗震性能,預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)的安裝需要而配備100t以上的起重設(shè)備、施工困難,而且彎曲鋼筋的節(jié)點(diǎn)連接很難保證。因此,不推薦在該廠房屋架使用預(yù)應(yīng)力混凝土梁桁架結(jié)構(gòu)方案。與預(yù)應(yīng)力混凝土梁相比,空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯,其剛度均勻、抗震性好、美觀、便于施工、施工周期短、設(shè)計(jì)接口少。因此,該項(xiàng)目廠房屋架最終選擇空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)方案。

        參考文獻(xiàn)

        [1]丁陽,郭峰,李忠獻(xiàn).地震作用下空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)考慮損傷累積效應(yīng)的彈塑性分析[J].工程力學(xué),2005,22(1):54-58.

        [2]熊學(xué)玉,王壽生.體外預(yù)應(yīng)力梁振動特性的分析與研究[J].地震工程與工程震動,2005,25(2):55-61.

        [3]黃悅凡.大跨度網(wǎng)架結(jié)構(gòu)安裝技術(shù)[J].山西建筑,2011,37(3):85-86.

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