安徽海螺建材设计研究院有限责任公司 安徽省芜湖市 241070
摘要：本文通过对福泉垃圾发电联合厂房—锅炉焚烧及烟气处理车间钢结构厂房的主钢架分析，采用两种不同的结构方案进行分析计算，探讨不同结构形式对钢结构厂房结构的应力及侧移的影响，并比较两种结构方案的综合经济效益。为同类工程厂房的设计提供参考；
关键词：垃圾发电；钢结构厂房；实腹式柱；格构式柱；钢屋架 柱顶位移
0 前 言
随着中国城市化加速，城市垃圾问题日益突出。我国政府不断加大环保投资力度，垃圾发电项目也从大城市向中小城市推进，小型城市受人口数量限制，项目日处理能力一般以300~400吨/天为主。土建工程造价在总投资中占有约40%~45%，因此，对结构方案进行合理优化以减少工程用钢量，降低项目总投资具有重要意义。
1 工程概况
该垃圾焚烧发电项目位于福泉市牛场镇，受功能布置及结构类型影响，垃圾处理联合厂房分为三个分区：A区—汽轮机房及门厅；B区—垃圾池及卸料大厅；C区—锅炉焚烧及烟气处理车间。本文仅针对锅炉焚烧及烟气处理车间进行优化对比分析。采用高低双跨刚架结构。
1.1锅炉焚烧及烟气处理车间建筑特征：净空高35m及45m，跨度37m+34m，宽度34m。结构平面布置详见下图1。
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图1:主体结构平面布置图
1.2荷载取值
1）恒载：0.5KN/m2;
2）活载：0.5KN/m2(不上人屋面);
3）风载：基本风压0.35/m2;地面粗糙度为B类，风压高度系数及体型系数按GB50009—2012《建筑结构荷载规范》取值；
4）雪载：基本雪压0.25/m2(重现期100年);屋面积雪分布系数按GB50009—2012《建筑结构荷载规范》取值；
5）地震作用：考虑多遇地震，抗震设防烈度按6度，设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为一组，场地类别为II类。
2 主钢架结构方案设计
为了研究钢架柱及屋架结构形式对结构侧向刚度及工程量影响，对此类工程结构形式调研，选取两种典型方案模型。模型一: 实腹式钢架结构, 柱脚为刚接柱脚,梁柱均为等截面;模型二：格构柱+ 钢屋架结构，柱脚为刚接柱脚，格构柱采用双肢H型钢格构柱，屋架采用梯型钢屋架。两种方案结构简图详见图2~3；结构截面尺寸及构件规格见表 1 ~ 2。
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图2 : 实腹式钢架结构简图 图3: 格构柱+ 钢屋架结构简图
表1:方案一：实腹式主钢架截面参数.png)
表2:方案二：H 型钢格构柱+钢屋架钢架柱截面参数
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3 计算结果对比分析
经过计算，实腹式钢架结构和格构柱+ 钢屋架结构计算均满足 GB50017 - 2017《钢结构设计标准》 附录 A 的相关要求 [4] , 通过结构计算结果可知, 此类超高单层工业厂房设计主要以主钢架的水平位移为控制因素,同时构件强度指标须确保满足计算要求。通过MIDAS软件进行有限元计算分析。其计算结果如下。
3.1结构应力分析对比
经过计算对比分析,其构件应力结果详见图4~ 5。
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图4: 实腹式钢架结构应力简图 图5: 格构柱+ 钢屋架应力图
从图4 ~ 5的对比分析可以看出: 两种方案梁柱构件计算最大应力比较为接近,方案二构件最大应力为173N/mm2,较方案一构件最大应力178N/mm2小3%，方案二出现较大应力出现在格构柱支柱底部，方案一出现较大应力部位为柱底及梁柱连接节点位置，且方案一出现较大应力部位较方案二多。表明方案一结构构件及节点薄弱点较多。
3.2结构位移分析对比
由于钢结构自重较轻，两种结构方案在地震作用下产生水平位移比风荷载作用下的产生水平位移都要小，可知对于此类钢结构厂房水平位移主要受风荷载控制，经过计算分析,对比两种模型风荷载作用下位移，位移结果详见图6 ~ 7。
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图6: 实腹式钢架结构位移图 图7: 格构柱+ 钢屋架结构位移图
从图6 ~ 7 的对比分析可以看出: 方案一结构最大位移角为1/727，方案二结构最大位移为1/1061 ，两种方案结构位移均满足规范要求，方案二柱顶位移计算值较方案一要小29% , 表明采用H 型钢格构柱+钢屋架结构形式时主钢架水平变形及位移更小, 对结构安全及使用均更有利。
3.3用钢量统计对比
对于此类超高单层钢结构厂房，钢结构用量大，结构经济性作为方案对比重要参数，经过计算统计,对比两种方案结构用钢量，考虑两种方案平面布置相同，支撑体系及维护结构大体相同，本文仅对比单榀结构用钢量，对比结果详见表3。
表3:方案用钢量对比表（吨）
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从表 3可以看出: 方案一单榀结构结构用钢量约为54.8吨，方案二单榀结构结构用钢量约为46.7吨，方案二较方案一要小14.7% ,本工程主钢架结构方案采用格构柱+ 钢屋架结构更为经济合理。
4主钢架结构方案对比分析
通过上述对比分析可以看出: 方案二 较方案一 构件最大应力比及柱顶位移计算值更小, 表明方案二较方案一结构安全度更高; 同时, 其用钢量反而较方案一 约低 14.7% 。 因此, 本工程主钢架结构方案采用格构柱+ 钢屋架结构更为经济合理。
综上所述, 对这类超高单层钢结构工业厂房, 当以主结构受风荷载时的变形为设计主控因素时, H 型钢格构柱+钢屋架较实腹式钢刚架能够提供更大的截面刚度, 能更有效地控制主钢构的水平变形, 且用钢量更省, 是一种更为经济、合理的形式。以上仅从设计角度提出方案意见。另需说明，采用实腹式柱相较钢格构柱+钢屋架施工节点较少，焊接工作量也相对较少，有利于缩减工期。
5 结语
通过对某垃圾发电联合厂房—锅炉焚烧及烟气处理车间钢结构的主钢架设计分析, 重点对比分析了两种结构形式的设计指标及用钢量, 为本工程主钢架结构形式的选择及优化起到了指导意义。 同时也为类似重型钢结构厂房的结构设计提供了参考意义。
参考文献:
[1] 周瑞. 某重型钢结构工业厂房结构设计[ J] . 建筑结构,2010,40(4) :34 - 37.
[2] 孙必祥. 某单层重型钢结构厂房主钢架结构方案的优化分析[ J] . 四川建材,2015,41(3) :60 - 61
[3] 《钢结构设计手册》编辑委员会. 钢结构设计手册[ M] . 北京:中国建筑工业出版社,2004.
[4] GB50017 - 2017 钢结构结构设计标准[ S] .