钢结构优化

F05931C-T03-01

摩洛哥Jerada电厂1X350MW 超临界燃煤电站

工程

初步设计

主厂房钢结构专题报告

2013年12月 石家庄

批 准：审 核：校 核：编 写：

况波

周猛、黄文莉刘志磊 苑森

目 录

1 工程概况 ............................................................................................................................................................ 2 2 厂址自然条件及主要技术设计参数 ................................................................................................................. 2 3 汽机房结构设计优化原则 ................................................................................................................................. 2 3.1 从建筑结构材料选用上进行设计优化 ..................................................................................................... 2 3.2 从结构整体布置上进行设计优化 ............................................................................................................. 2 4 钢结构主厂房设计优化 ..................................................................................................................................... 3 4.1 结构总体布置设计优化 ............................................................................................................................. 3 4.2 楼层次梁设计优化 ..................................................................................................................................... 5 4.3 汽机房屋面优化设计 ................................................................................................................................. 7 4.4 节点优化设计 ............................................................................................................................................. 9

摩洛哥Jerada电厂1X350MW 超临界燃煤电站工程 主厂房钢结构优化专题

[内容摘要]：本工程地震分区为Zone：IIA (UBC 97)，设计基本地震加速度值0.15g，本专题在满足“安全、适用、经济、美观”的前提下，全面贯彻优化设计理念，采用先进的设计手段从建筑材料选用、结构布置、汽机房屋架、节点设计等方面对电厂主厂房进行设计优化，从而达到建筑结构选型合理、节省工程造价之目的。

1 工程概况

JERADA 1×350MW项目业主为摩洛哥国家电力部Office of National Electricity(ONE)。电厂为扩建电厂，I期已有3x55MW机组，本期为1台350MW超临界、空冷机组，包括1台燃煤锅炉、1台汽轮发电机组和所有必须的辅机设备及电厂BOP，本期工程与已有电厂系统相对独立。

2 厂址自然条件及主要技术设计参数

3s时距10m高平均最大风速：50年一遇为37.1m/s 3s时距10m高平均最大风速：100年一遇为39.4m/s 最高气温：45℃ 最低气温：-5℃

地震分区：Zone：IIA (UBC 97) 地震峰值加速度：0.15g 场地土类别：SB

3 汽机房结构设计优化原则

结构优化设计是在贯彻“安全、适用、经济、美观”的方针下，全面进行精细化设计，分别从建筑结构材料选用、结构布置、及细部构造等多方面进行设计优化。

3.1 从建筑结构材料选用上进行设计优化

随着科学技术水平的不断发展，建筑材料的种类越来越多，针对火力发电厂的建筑和结构设计，不能停留在传统材料的选择上，需要对新材料的性能、经济性进行研究论证后，大力引进新材料。由于火力发电厂属于特殊的工业项目，在对其建筑和结构材料的选择上需要结合其自身的特点。本工程主厂房钢结构梁柱材质采用Q345B钢材（相当于美国规范A572），屋面选用实腹钢梁+复合压型钢板的结构形式有效的减轻了结构的自重。

3.2 从结构整体布置上进行设计优化

一个好的结构设计方案首先体现在结构选型上。在满足现行规范的前提下应优选造

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价低的结构型式，为后续降低工程造价奠定基础；在满足工艺布置的前提下调整结构布置，重视平面、立面和竖向剖面的规则性对抗震性能和经济合理性的影响，对不规则结构应配合工艺布置进行优化调整；在结构设计的整个过程中应充分发挥材料性能，控制合理的安全裕度。

4 钢结构主厂房设计优化 4.1 结构总体布置设计优化

本工程汽机房长73m，柱距分别为10m、9m，跨度32m，设有中间层6.27m，运转层12.54m，高约为32m。煤仓间设置与汽机房后面，煤仓间长63m，柱间距分别为10m、9m，跨度12m，皮带层标高36m。

1) 主厂房结构体系

主厂房承重体系采用汽机房+煤仓间三列式钢框架+支撑结构体系，加热器平台与A、B列柱刚性连接，汽机房屋面结构与A、B列刚接。主厂房横向局部布置支撑，汽机房-煤仓间为独立的钢双跨框架+支撑结构体系；横向抗侧力体系为框架+支撑结构，纵向抗侧力体系为框架+支撑结构，增加结构横向刚度，减小用钢量，减小结构横向位移。

表1主厂房柱断面

名 称 构件编号 A柱 B排柱 C排柱 汽机房平台柱 山墙柱 设置横向支撑型钢断面尺寸(mm) BH 950X500X28X38 BH 1200X600X40X45 BH 1200X700X36X45 BH 500X500X25X30 BH 650X500X20X30 取消支撑后柱断面（mm） BH 1100X600X30X40 BH 1400X600X38X58 BH 1500X700X42X68 BH 600X600X25X30 BH 650X500X20X30 主厂房 HBED河北省电力勘测设计研究院 第3页 摩洛哥Jerada电厂1X350MW 超临界燃煤电站工程 主厂房钢结构优化专题

图1 主厂房横向断面图

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图2 主厂房三维模型图

2) 主厂房楼面及屋面结构

主厂房各层楼面、屋面（除汽机房屋面外）采用焊接或轧制H型钢次梁和现浇钢筋

混凝土楼板组合结构，梁顶设置抗剪件与钢梁连接，梁、板强度计算按组合构件计算。楼层局部采用钢格栅板。

汽机房屋架结构采用实腹钢梁+支撑体系，屋面板采用复合保温压型钢板+加防水层。

4.2 楼层次梁设计优化

(1) 控制钢结构梁截面尺寸

本工程在设计中严格按照“更先进、更可靠、更经济”的设计目标，对厂房框架梁和次梁进行设计，对厂家和工艺专业布置的荷载数据进行分析，和以往工程的荷载数据进行对比，减少“上游”环节的裕度。众所周知，在满足工艺要求的前提下结构设计没有唯一解，一个好的设计方案同样体现在经济性上。结构设计在各设计阶段应严格按照规范系数进行设计，梁截面高度不能简单按照跨度1/15选用。对荷载相对较小的区域应采用不同的梁高，将结构安全裕度控制在合理的范围内。

(2) 楼层钢次梁和楼板按组合梁计算

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主厂房楼层受工艺布置影响，往往布置较多的孔洞，由于楼层孔洞布置复杂，

为简化计算，以往工程计算钢次梁，通常将现浇混凝土楼板仅作为荷载考虑，钢次梁和楼板之间按照构造规定设置抗剪连接件，将混凝土翼板和钢梁的共同作用因素作为结构的安全储备。本工程对楼层钢次梁和楼板完全做为组合梁计算，因此有必要结合本工程实际情况对楼层组合梁进行深入分析。

①组合梁的原理：钢与混凝土组合梁由三部分组成，即：混凝土翼板、抗剪连接件和钢梁。当不按照组合梁计算并采取抗剪措施时，在荷载作用下，梁产生挠曲变形，楼板和钢梁之间产生相对滑移，各自承担一部分弯矩，见下图(a)、(c)表示；当按照组合梁计算时，由于抗剪件的阻碍作用，接触面之间不会产生相对滑移，发生挠曲变形时，接触面上的剪力将全部由抗剪件承受，混凝土翼板和钢梁会像一个整体构件共同工作，形成共同的中和轴的组合截面，共同承受弯矩，下图(b)、(d)表示。

②抗剪连接件的选取：抗剪件的作用是承受翼板和钢梁接触面之间的纵向剪力，防止相对滑动和分离。规范推荐的抗剪件有栓钉、槽钢和弯筋三种类型，其中栓钉和槽钢在施工中没有方向限制，弯筋在施工中需要根据水平剪力方向确定布置反向。根据以往工程经验，结合本工程实际特点，为方便现场施工，本工程推荐采用栓钉抗剪件形式。

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③组合梁翼板宽度取值：对本工程而言，组合梁计算精细化程度体现在组合梁翼板宽度的取值上。总所周知连续组合梁不同的有效翼缘宽度直接影响到梁的换算截面特性,从而使组合梁的内力发生变化。如果有效翼缘宽度较小,则会使钢梁截面增大;若有效翼缘宽度较大,钢梁截面会相对变小,从而使负弯矩混凝土板承受较大的拉应力,易使混凝土板开裂,需要较多的配置普通钢筋。合理的翼缘有效宽度应该从结构安全和经济的角度定义。由于工艺布置的特殊性，尤其对孔洞较多的楼层，翼板宽度在满足规范要求的同时还要考虑实际孔洞对翼板宽度的影响。其中ASNSI/AISC 360-05规范规定翼板宽度be取值方法如下：

混凝土翼板有效宽度为组合梁中心线两侧混凝土翼板有效宽度之和，每侧混凝土翼板有效宽度不超过：

(1)组合梁跨度的1/8；

(2)到相邻梁中心线距离的一半； (3)到板边的距离。

下表列出了同一根梁在考虑组合梁效应和不考虑组合梁效应的计算差别。

表2 10m跨度梁在相同荷载作用下不同计算所得结果

考虑组合梁 不考虑组合梁 压型钢板肋高 70mm 70mm 混凝土板厚 钢梁大小 100mm 100mm HM 588X300 HM 588X300 强度应力比 挠度(mm） 0.59 0.72 17.47 24.8 4.3 汽机房屋面优化设计

汽机房屋面结构系统一般由屋架、屋面支撑系统（包括水平支撑和垂直支撑）、檩条及屋面板等组成。屋面结构方案，应保证屋面结构系统的空间整体协调工作、整体刚度和稳定性，保证传递风力和吊车水平力且方便安装。

目前火力发电厂汽机房屋面结构型式主要有梯形钢屋架加支撑有檩体系、实腹钢梁加支撑有檩体系以及近几年兴起来的钢管结构空间桁架有檩体系。以下就这三种屋面进行技术经济比较。

HBED河北省电力勘测设计研究院 第7页 稳定性及结构 受力合理性 静定结构，稳定性略差，尤其纵向稳定性弱，结构受力较合理，较能发挥材料特性，结构分析按平面桁架分析，没有考虑空间整体作用，支撑系统工程量大。 静定结构（两端刚接），结构平面内刚度分布均匀，较能发挥材料特性，设计计算可按空间结构计算，纵横向结构稳定性较好。 空间结构，采用三维空间整体计算模型，平面外刚度大，提高了侧向稳定性和抗扭转刚度，增加了屋面的整体刚度，无法实现与A、B列的刚接 对下部结构 的影响 与下部结构铰接连接，竖向荷载作用不产生水平力，能适应对下部引起的不均匀沉降 防腐（火）材料用量 及施工方便性 制作运输 可工厂化制作，也可现场制作，构件较长运输需有特殊措施 可工厂化制作，也可现场制作，因构件较长运输需有特殊措施 施工进度及施工 占用场地，交叉作 用影响 加工工作量大，焊接工作量大，加工周期长，无需占用汽机房场地，交叉作用影响不大 加工量小，加工周期短，无需占用汽机房场地，交叉作业影响不大，适合于国外工程现场施工。 加工量小，加工周 期较短，无需占用汽机房场地，交叉作业影响不大，然而对施工人员要求较高，不适于国外工程现场施工 耐久性 在正常使用条件下，耐久性好，但日常维护较麻烦 在正常使用条件下，耐久性好，日常维护方便 施工质量保证 形状较复杂，需要一定的加工精度，焊缝多，如现场加工质量控制有一定难度 形状简单，焊缝不多，但焊缝质量要求高 构件加工简单 相贯节点施工 有一定的难度 钢屋架 屋 盖 结 构 钢实 腹梁 屋盖 结构 倒三角形钢管结构空间桁架 防腐（火）涂料施工 较麻烦，用量较 多。 与下部结构刚接，防腐（火）涂料施工 增加主厂房整体较方便，用量较少。 侧向刚度，下部结 构的不均匀沉降对梁有影响。 与下部结构铰接，防腐（火）涂料施工可工厂化制竖向荷载作用不较方便，用量较少。 作，不适于现产生水平力，能适 场制作 应对下部引起的不均匀沉降 在正常使用条件下，耐久性好，日常维护方便

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屋面结构经济指标的比较表

方案 统计指标 汽机房屋面面积(m2) 屋架用钢量(吨) 檩条用钢量(吨) 支撑用钢量(吨) 总用钢量（吨） 梯形钢屋架有檩体系加支撑 2340 146.7 101.5 59.3 307.5 实腹钢梁有檩 体系加支撑 2340 倒三角形钢管结构空间 桁架有檩体系加支撑 2340 127.3 78.4 58.7 264.4 143.2 97.2 62.5 302.9 从上表分析可以看出， 梯形钢屋架有檩体系及实腹钢梁有檩体系用钢量相当，空间钢管桁架有檩体系比以上二者节省部分用钢量；然而空间管桁架钢材的施工难度大，不适于国外工程，因此推荐本工程屋架结构体系采用实腹钢梁加支撑有檩体系。

4.4 节点优化设计

节点设计是钢结构设的重要组成部分，钢结构连接设计的好坏将直接影响钢结构的质量和经济。

钢结构的连接方法，历史上曾用过销钉、螺栓、铆钉和焊缝等连接，其中销钉和铆钉连接已不在新建钢结构上使用，因此以下不再涉及此两种连接。

焊缝连接：

焊缝连接是当前钢结构的主要连接方式，手工电弧焊和自动（或半自动）埋弧焊是目前应用最多的焊缝连接方法。与螺栓连接相比，焊接结构具有以下的优点：

焊缝连接不需钻孔，截面无削弱；不需额外的连接件，构造简单；从而焊缝连接可省工省料，得到经济的效果。这些可以说是它的最大的优点。焊接结构的密闭性好、刚度和整体性都较大。

焊缝连接也存在以下一些不足之处：

受焊接时的高温影响，焊缝易存在各种缺陷焊缝附近的主体金属易导致材质变脆。因而导致构件内产生应力集中而使裂纹扩大。

螺栓连接由于安装省时省力、所需安装设备简单、对施工工人的技能要求不及对焊工的要求高等优点，目前在钢结构连接中的应用越来越广泛。螺栓连接分普通螺栓连接和高强螺栓连接两大类。按受力情况又各分为三种：抗剪螺栓连接、

HBED河北省电力勘测设计研究院 第9页 抗拉螺栓连接和同时承受剪拉的螺栓连接。

本工程为国外工程，考虑到现场因素加之主厂房结构中高空焊接工作难度较大，因此推荐主厂房主框架结构连接方式采用高强螺栓。以下为本工程主厂房主要节点：

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