孫金勇

(福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，福建 福州 350003)

1 工程概況

在某菲律賓電廠中，本期新建2×150 MW汽輪發(fā)電機(jī)組。而本期工程循環(huán)水系統(tǒng)預(yù)留二期接口，按4×150 MW規(guī)模設(shè)計(jì)，供水系統(tǒng)采用擴(kuò)大單元制海水直流循環(huán)供水系統(tǒng)。本期廠址緊鄰已有老電廠，受已有老電廠布置影響，4根φ2020 mm的循環(huán)水鋼管需要跨越已有電廠凈寬近30 m的排水渠。為不影響老廠排水，采用跨度36 m的鋼桁架直接將循環(huán)水管跨越原排水渠。

2 結(jié)構(gòu)布置

在該循環(huán)水管桁架結(jié)構(gòu)方案中，主要有兩個(gè)方面較為特殊。第一，受老廠區(qū)排水渠布置及本期電廠排水渠布置的影響，為保證管道布置的空間，將桁架結(jié)構(gòu)的平面布置調(diào)整為平行四邊形平面，而非常規(guī)的矩形平面。第二，循環(huán)水管桁架左側(cè)位于一狹小的三角區(qū)域范圍內(nèi)，在結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)時(shí)，將桁架左側(cè)設(shè)為滾軸支座，以減小該側(cè)基礎(chǔ)尺寸，保證基礎(chǔ)和管道的布置空間；同時(shí)，循環(huán)水管需要在桁架上就開(kāi)始轉(zhuǎn)彎，為騰出管道的布置空間，桁架立面中需取消兩端的直腹桿，避免端部的直腹桿與循環(huán)水管彎頭相碰。

循環(huán)水管桁架的底面(下弦平面)布置及外形尺寸見(jiàn)圖1，循環(huán)水管桁架的橫截面及管道布置見(jiàn)圖2。

循環(huán)水管桁架結(jié)構(gòu)是由三榀桁架組成的聯(lián)合桁架結(jié)構(gòu)，每榀桁架的結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖3。除了三榀桁架外，為滿(mǎn)足循環(huán)水管支吊架的安裝需要，布置結(jié)構(gòu)橫梁GL－1，循環(huán)水管的滑動(dòng)支吊架或?qū)蛑У跫芫贾迷贕L－1上；此外，為了保證三榀平面鋼桁架在平面外的剛度和穩(wěn)定、減小弦桿在桁架平面外的計(jì)算長(zhǎng)度、并承受地震作用等側(cè)向荷載，在上弦和下弦平面上分別設(shè)置水平支撐。

圖1 桁架底面布置圖

圖2 桁架橫截面及管道布置圖

圖3 單榀桁架立面圖

3 荷載取值

荷載主要包括管架及檢修平臺(tái)自重、正常運(yùn)行或事故關(guān)閥時(shí)作用于支吊點(diǎn)上的荷載、檢修平臺(tái)活荷載、風(fēng)荷載、地震作用等。其中，作用于支吊點(diǎn)上的荷載由工藝專(zhuān)業(yè)整體建模分析后提供，包括管道自重、循環(huán)水管內(nèi)水重、正常運(yùn)行或事故關(guān)閥時(shí)水流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的附加力。由于作用于支吊點(diǎn)上的荷載分為正常運(yùn)行工況和事故關(guān)閥工況，故在鋼桁架結(jié)構(gòu)的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按基本組合和偶然組合分別計(jì)算。該廠址位于海邊，地面粗糙度按照A類(lèi)考慮，基本風(fēng)壓為1.05 kN/m2；在風(fēng)荷載計(jì)算時(shí)，按照《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》附錄H分別計(jì)算管道的橫向風(fēng)荷載和縱向風(fēng)荷載。

4 結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

傳統(tǒng)的桁架計(jì)算模型為桁架節(jié)點(diǎn)按鉸接考慮，不考慮節(jié)點(diǎn)處的彎矩和剪力。鉸接節(jié)點(diǎn)與實(shí)際桁架節(jié)點(diǎn)受力情況不同，實(shí)際桁架桿件不僅有軸力，還有彎矩和剪力，后者被稱(chēng)為次內(nèi)力，由次內(nèi)力引起的應(yīng)力被稱(chēng)為次應(yīng)力。在鋼桁架腹桿與上弦、下弦之間的連接中，同一節(jié)點(diǎn)間各桿之間不產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，節(jié)點(diǎn)接近于剛性節(jié)點(diǎn)，桁架節(jié)點(diǎn)與理想桁架鉸接節(jié)點(diǎn)的假定不完全一致。由此，考慮到次應(yīng)力對(duì)桁架的影響，同時(shí)，由于場(chǎng)地的限制，該桁架結(jié)構(gòu)的平面布置為傾斜結(jié)構(gòu)，循環(huán)水管鋼桁架是一個(gè)復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，故按照節(jié)點(diǎn)為鉸接的單榀桁架計(jì)算是顯然不合適的。在桁架設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用STAAD.Pro V8i 結(jié)構(gòu)分析軟件，通過(guò)建立循環(huán)水管桁架整體計(jì)算模型，對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間分析計(jì)算，進(jìn)而完成結(jié)構(gòu)的安全校核和抗震分析。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5.1 豎向地震作用的簡(jiǎn)化計(jì)算

循環(huán)水管桁架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為9度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.40 g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，建筑場(chǎng)地類(lèi)別Ⅲ類(lèi)。其中，在地震作用計(jì)算時(shí)，由于該循環(huán)水管桁架跨度36 m，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》和《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)章節(jié)規(guī)定，屬大跨度結(jié)構(gòu)，不僅應(yīng)計(jì)算水平地震作用，還應(yīng)考慮豎向地震作用對(duì)循環(huán)水管桁架的影響。由于在STAAD中，并不能直接輸入豎向地震荷載，只能根據(jù)各個(gè)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況手動(dòng)加入豎向地震荷載。如果簡(jiǎn)單按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值取構(gòu)件重力荷載代表值的20%，國(guó)內(nèi)外文章結(jié)果表明，桁架各桿件的地震力放大系數(shù)很不相同，故采用一個(gè)總的地震力放大系數(shù)并不能全面反映桁架結(jié)構(gòu)的受力特性。

要分析循環(huán)水管桁架的豎向地震作用，可采用大型通用軟件ANSYS、SAP2000等軟件進(jìn)行建模計(jì)算。由于桁架結(jié)構(gòu)的特殊性，很多專(zhuān)家學(xué)者做了大量研究工作，并給出了桁架結(jié)構(gòu)豎向地震內(nèi)力的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，且計(jì)算結(jié)果是滿(mǎn)足工程運(yùn)用要求的。在張毅剛所作《網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在豎向地震作用下的實(shí)用分析方法》論文中提供了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在豎向地震作用下的實(shí)用設(shè)計(jì)方法，在此基礎(chǔ)上，在金聯(lián)社所作《超大跨度輸煤棧橋的豎向地震及溫度計(jì)算》一文中針對(duì)大跨度桁架列出了更加詳細(xì)的計(jì)算方法：

表1 ρmin、R建議值

根據(jù)上述方法，可得到豎向地震作用下桿件內(nèi)力系數(shù)，見(jiàn)圖4，其具體計(jì)算方法如下：

在求得豎向地震內(nèi)力后，考慮與靜內(nèi)力、水平地震作用的最不利組合，則可得到桿件總內(nèi)力，進(jìn)而進(jìn)行桿件截面設(shè)計(jì)。

圖4 豎向地震系數(shù)δ(9度、0.40 g)

5.2 循環(huán)水管撓度控制

本工程取水為海水，循環(huán)水管內(nèi)表面設(shè)有防腐涂料；循環(huán)水管跨排水渠段為露天布置，管道外表面同樣涂有油漆。循環(huán)水管通過(guò)支吊架支承于桁架上，在桁架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形的過(guò)程中，循環(huán)水管勢(shì)必會(huì)與桁架一起協(xié)調(diào)變形。當(dāng)循環(huán)水管產(chǎn)生向下的變形時(shí)，循環(huán)水管內(nèi)外表面都將產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，當(dāng)變形超過(guò)一定限值時(shí)，管道表面的涂層體系將受到破壞，影響管道安全。由此，在桁架結(jié)構(gòu)撓度容許值范圍內(nèi)的變形，是否會(huì)影響循環(huán)水管的正常使用，這成為循環(huán)水管通過(guò)桁架跨越排水渠的布置方案是否可行的重要影響因素。所以，循環(huán)水管撓度的控制成為必須解決的問(wèn)題。

對(duì)于自承式鋼管跨越結(jié)構(gòu)，管道的撓度驗(yàn)算可按照相應(yīng)計(jì)算方法完成。但是，本工程中的循環(huán)水管通過(guò)支吊架支承于桁架橫梁上，與桁架是協(xié)調(diào)變形的，所以按照自承式鋼管核算其撓度顯然是不合適的。而在桁架上的單根循環(huán)水管共設(shè)有七個(gè)支吊架，管道在支架上為連續(xù)布置，且與桁架是協(xié)調(diào)變形的，所以無(wú)法直接計(jì)算管道的撓度。為此，通過(guò)分析不難發(fā)現(xiàn)，循環(huán)水管的變形主要由管道結(jié)構(gòu)自重、管內(nèi)水重、正常運(yùn)行或事故關(guān)閥時(shí)的水流力、桁架結(jié)構(gòu)自重這四部分產(chǎn)生。為了減小管道的變形，設(shè)計(jì)中要求鋼桁架制作時(shí)應(yīng)預(yù)先起拱，起拱值為桁架結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的變形值。因此，桁架結(jié)構(gòu)整體計(jì)算得到的變形減去桁架結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的變形，即為管道的變形。

通過(guò)整體建模分析計(jì)算，桁架結(jié)構(gòu)在正常運(yùn)行工況和事故關(guān)閥工況下的最大豎向位移分別為49 mm和57 mm，因此桁架結(jié)構(gòu)的最大位移為57 mm，而桁架結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的最大豎向位移為11 mm，故減去桁架的預(yù)先起拱值后，管道和桁架的最大豎向變形為46 mm。對(duì)于桁架結(jié)構(gòu)自身來(lái)說(shuō)，《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》上均有規(guī)定，見(jiàn)表2，桁架結(jié)構(gòu)的允許撓度值取為l/500(l為構(gòu)件的計(jì)算跨度)，即為72 mm，因此，桁架結(jié)構(gòu)本身的變形是滿(mǎn)足規(guī)范的。

對(duì)于管道撓度驗(yàn)算來(lái)說(shuō)，其允許撓度值的確定是關(guān)鍵。如表2所示，關(guān)于鋼管的允許變形值，《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》或《火力發(fā)電廠水工設(shè)計(jì)規(guī)范》上均有相應(yīng)規(guī)定，變形值均按照管徑的百分比這一絕對(duì)值控制，且其變形指的是管道在垂直方向直徑的變化。在本工程中，循環(huán)水管為一跨越結(jié)構(gòu)，其變形對(duì)管道的影響顯然與跨度有關(guān)，所以如果按照管徑的百分比這一絕對(duì)值控制，是不合理的；而且管周沒(méi)有荷載作用，其垂直方向直徑的變化基本是可以忽略的。鑒于這種情況，筆者查閱了大量資料后，循環(huán)水管的允許撓度值參照《自承式給水鋼管跨越結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS 214：2006)中關(guān)于管道撓度驗(yàn)算的相關(guān)規(guī)定，取為l/250，即為144 mm，故管道的撓度驗(yàn)算也是滿(mǎn)足要求的。

表2 桁架及鋼管變形允許值

5.3 循環(huán)水管桁架幾何不變性的實(shí)現(xiàn)

循環(huán)水管桁架是由三榀桁架組成的聯(lián)合桁架。在單榀桁架平面內(nèi)，為幾何不變體系。但是對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，從橫截面來(lái)看，見(jiàn)圖2，由于單榀桁架內(nèi)的桿件均為鉸接連接，在側(cè)向力的作用下，將導(dǎo)致聯(lián)合桁架為幾何可變體系，必須采取相應(yīng)措施使整個(gè)結(jié)構(gòu)為幾何不變體系。在本工程中，如果將簡(jiǎn)單桁架中的腹桿與弦桿之間的連接做成剛接，是可以滿(mǎn)足整個(gè)結(jié)構(gòu)的幾何不變的，但是，由循環(huán)水管支承橫梁、弦桿、腹桿組成的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造將十分復(fù)雜，對(duì)施工要求很高，難以保證節(jié)點(diǎn)施工質(zhì)量，這將增加結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)。為了保證結(jié)構(gòu)的幾何不變性并考慮實(shí)施的可行性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)在圖1中所示桁架的中間(A－A截面處)及兩端(B－B截面處)這三處橫截面的角部加設(shè)斜撐的辦法，保證了整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

為了保證結(jié)構(gòu)的幾何不變且易于實(shí)施，采用在桁架橫截面角部加設(shè)斜撐的辦法來(lái)代替桁架中腹桿與弦桿的剛接，但這兩者之間并不能完全等同。若采用桁架腹桿與弦桿剛接的做法，則橫截面為一鋼框架結(jié)構(gòu)，受力明顯；采用設(shè)斜撐的辦法后，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖5。以圖中左下角節(jié)點(diǎn)為例，不難發(fā)現(xiàn)，鋼框架中的剛接節(jié)點(diǎn)O，變?yōu)橛蒓A、OB、AB這三根鏈桿通過(guò)O、A、B三個(gè)鉸構(gòu)成的幾何不變體系，承重鋼梁的支座從O節(jié)點(diǎn)移至A節(jié)點(diǎn)，承重鋼梁的跨度由OD段長(zhǎng)度變?yōu)锳C段長(zhǎng)度，桿件的跨度變小，桿件的內(nèi)力也相應(yīng)減小。因此，采用設(shè)斜撐的做法，是滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全要求的。

圖5 設(shè)斜撐桁架橫截面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

6 結(jié)語(yǔ)

通常情況下，循環(huán)水管管徑較大且是埋地布置，而本工程為海外工程，存在一些特殊性，受廠區(qū)布置的影響，4根φ2020 mm的循環(huán)水鋼管采用跨度36 m的鋼桁架直接跨越排水渠。而在工程實(shí)際中，由于布置空間十分狹小而嚴(yán)重影響工藝管道布置的情況下，結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)將管架的平面布置調(diào)整為傾斜布置，取消單榀桁架兩端的直腹桿，并采用下弦受力布置方案，通過(guò)STAAD整體建模分析計(jì)算，與工藝專(zhuān)業(yè)多次反復(fù)配合后，在滿(mǎn)足工藝循環(huán)水管布置需要的前提下保證了循環(huán)水管桁架結(jié)構(gòu)及管道本身的安全可靠，切實(shí)解決了工程實(shí)際中遇到的難題，可供類(lèi)似工程參考。

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