钢结构厂房三维设计心得体会

　　根据规范要求，本工程不应采用平面结构模型进行抗震分析，而应采用空间结构模型进行抗震分析，较常用的空间分析软件有国内PKPM系列的SATWE，国外的STAADPRO,SAP2000等，由于电厂荷载种类特别，荷载工况较多，抗震验算时需要调整各荷载类型的等效质量参数与普通民建不同，故本工程选用了美国REI公司的通用结构计算软件STAADPRO进行结构计算，采用配套软件SSDD进行了钢结构构件的中国规范检验。

　　三、设计过程

　　REI公司的STAADPRO工程结构设计软件作为一款通用有限元设计软件，有内力计算准确，可处理结构内容丰富，用户可根据工程特点对设计参数自由调整等特点，完全满足现代化电厂的设计计算要求。以上特点在本工程中的到充分的体现。

　　1.三维模型的建立

　　模型建立过程中应特别注意结构简化应符合结构的实际工作状况，首先根据结构确定构件节点的几何位置，杆件截面可通过选取截面库的已定义好的截面数据，也可通过软件本身的截面定义模块进行定义，在STAAD中可以对楼板厚度，容重，泊松比等参数进行定义，可较为准确的模拟楼板对整体结构的受力及变形刚度影响。

　　主厂房梁、柱及支撑简化为杆系结构，STAAD/PRO软件中对于杆件的固结及铰接的定义是通过杆端弯矩释放来完成的。对于支撑有两种处理方式，定义成为桁架杆件或者对支撑杆件进行杆端弯矩释放。对于汽机房屋盖的水平支撑，本工程采取了定义为桁架杆件的做法，其他如柱间支撑等位置则采取了杆端弯矩释放的方式进行定义。

　　2.荷载输入及处理

　　根据电力行业标准，主厂房荷载分类较多，荷载组合虽然原则上遵照国家规范，但部分运行荷载的分项系数有特殊要求，需要对荷载组合进行手动调整，如果计算软件无法提供上述功能，实际工程设计只能套用相邻较大的分项系数，设计冗余过大造成材料浪费。STAAD/PRO可以提供设计人员手动进行荷载组合分项式的模式，很好的解决了上述问题，另外该软件的输入文件是一个可编辑的文本文档，已经写好的荷载组合方程式可通过粘贴复制的方式进行重复利用，大大减少了以后类似工程的工作量。

　　3.钢结构构件验算及结构优化

　　经过STAAD/POR软件的初步内力计算后，就可以将计算结果代入SSDD中国规范检验程序包中对构件进行规范检验和杆件优化。SSDD中内置了截面优化程序，可以对初步选定的杆件进行满足规范范围内的调整。通过反复迭代计算，取得最优结果，在该过程中，设计者是可以对优化杆件的范围及应力比范围进行调整。

　　4.设计中所遇到的问题

　　在采用STAADPRO程序进行结构分析时，截取振型数量的多寡，直接影响到参振质量系数。根据《高规》5.1.13条及《抗规》5.2.2条文说明，振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量90%所需的振型数。由于程序设定不同，要达到上述目标，在STAADPRO中需要截取的振型数量过多，究其原因是因为该软件在振型排列是未滤掉大量的次要振型，影响了主振型的顺序关系，在本工程的做法是调整部分产生小范围次要振型的构件，如设人字型柱间支撑的上端两端铰支梁，可调整为两端固结或在支撑交叉处增设楼板有限元节点固定，有效的过滤掉由于次要构件小范围运动产生的振型，从而达到满足规范要求的目的。

　　根据《钢结构规范》5.3.3条，单层或多层框架等截面柱，在框架平面内的计算长度应等于该层柱的高度乘以计算长度系数μ。框架分为无支撑的纯框架和有支撑框架，其中有支撑框架根据抗侧移刚度大小分为强支撑框架和弱支撑框架。规范所提供的支撑类型判别式非常繁杂，在设计过程中不易操作，本工程采用简化的判别，通过提取程序得出的节点最大位移，如层间相对位移小于1/1000,则可认为是无侧移框架，反之则为有侧移框架。

　　四、主厂房钢结构布置的研究

　　1.工业建筑的厂房布置一般由工艺专业确定。例如本工程的主厂房，横向布置依次为汽机房、除氧间、煤仓间。在设计中，钢结构主厂房一般采用带支撑框架结构。由于主厂房各部分刚度差异较大，就需要设计人员合理选取支撑形式及支撑布置，来实现结构整体性及完备的抗侧力体系。在布置之中应特别注意与其他专业的协调配合，避免支撑与工艺布置重合的现象发生。

　　2.主厂房纵向框架支撑跨纵梁设定为两端铰接进行计算，在实际施工图设计时则按两端固结进行考虑，是对抗侧力体系的补充设置，增大了整体结构的安全余度。

　　3.主厂房楼板采用现浇钢筋混凝土楼板，平面内刚度一般较大，可以有效的承担由于设备运行时所产生的水平力，局部位置由于工艺布置的愿意需要开大洞口，该处应设置水平支撑，以保持楼板平面内刚度连续，并减少由洞口角部应力产生的楼板开裂现象。

　　4.钢结构主厂房屋面，本工程采用两端固结的实腹钢梁，设水平支撑体系，相对于桁架屋面梁结构，实腹钢梁有设计简单，施工快捷，使用人工少等优点，尤其适合国外人工费用较贵，工期要求紧的工程。由于屋面梁两端采用固结节点与钢框架柱连接，有效减少了构件挠度，并对提高主厂房整体性有明显效果。

　　5.主厂房与外围附属建构筑物连接保持独立性，如主厂房与锅炉平台的连接，主厂房与输煤栈桥的连接，应采用铰接节点支座或滑动支座进行连接。不同结构单元的连接处应根据规范要求设抗震缝脱开。

　　五、材料选择及节点设计

　　1.由于主厂房是火力发电厂核心建筑，建筑体型及荷载均较大，C列柱脚荷载可达25000kN,在综合考虑了材料的强度，耐久性及可加工性能后，最终选择了Q345B型钢材作为主厂房主要受力构件的材料，对于支撑及楼面次梁等受力较小的构件，则采用Q235B型钢材进行加工。对厚度≥40mm厚的钢板均应符合国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T5313的规定，附加板厚方向的断面收缩率，不得小于该标准Z15级规定的允许值。

　　2.依据《钢结构设计规范》及《建筑抗震设计规范》的要求，钢结构节点设计应遵从“强节点弱构件，强柱弱梁”的设计原则。根据《建筑抗震设计规范》的条款8.2.8要求，设计中采用了节点处加腋，梁翼缘加盖板等方式，加强节点域，使构件塑性铰位置脱开节点区域。达到构件先于节点破环的抗震目标。另外还应在设计中考虑构件翼缘、腹板的宽(高)厚比，比面由于局部稳造成的构件破坏，此项满足规范即可，否则会因为构件截面惯性矩过于居中造成材料浪费。

　　3.由于本工程为国外工程，在施工图设计中应充分考虑运输环节的限制，尽量避免出现超长、超宽构件，造成装船、装车困难。

　　六、结语

　　在钢结构建筑设计过程中，应从工程实际出发，注意概念设计，合理选择材料，结构方案和构造措施，满足工程的各项相关要求，并优先选择标准构件及标准节点，减少施工难度。

　　相对于普通的钢筋混凝土结构，钢结构建筑有强度高，自重轻，抗震性能优越，施工简便、快捷等优点，以上优点在海外项目中尤为明显。随着钢结构设计及施工技术的日益成熟。钢结构建筑必将在今后得到更大发展。

　　参考文献

　　[1] GB50011-2001《建筑抗震设计规范》(2008年版)

　　[2] GB50017-2003《钢结构设计规范》

　　[3] JGJ99-98《高层民用建筑钢结构技术规程》

　　[4] DL5022-93《火力发电厂土建结构设计技术规定》