工程中主厂房结构设计优化

工程中主厂房结构设计优化

罗洵

身份证号：510108198804170017

【内容摘要】本工程的地震和地质条件对主厂房结构的选型是很有利的，无论采用钢结构或钢筋混凝土结构都是可行的，也是适用的。两种结构型式各有利弊，钢结构具有的优势为施工周期短、结构自重轻。而混凝土结构的优势为节约投资。

遵照“经济适用、系统简单、备用减少、安全可靠、以人为本”的原则，本工程主厂房从结构设计的优化、工程造价合理及满足工期要求的角度，推荐主厂房采用钢筋混凝土结构方案。

1、工程概况

厂址场地满足4台9H机组用地需求，地貌类型为丘陵地貌，主要由“U”字型宽大山脊及山间宽缓谷地组成，整体呈北高南低，场地可利用范围内自然高程约305～350m，相对高差约45m。场地内植被发育，以柠檬、杂树为主，部分水田，分布有鱼塘。两条中石油埋地天然气输送干管靠近场地东侧南北向通过。场地内及周边分布村民房屋，需搬迁民房约7户、500m长110kV架空输电线、350m长居民燃气管道。

厂址不占用基本农田，大部分属于规划工业用地，其余为一般耕地、果园和林地。

工程所在地50年一遇10m高10min基本风压为0.36kPa，地面粗糙度类别为B类。

2、工程地质与主要设计参数

厂址西北500m外建有水泥公司，现有一沥青路面材料厂紧靠水泥公司南侧在建。

厂址主要为一般耕地，有少量果园及林地。场地满足4台9H机组用地需求，地貌类型为丘陵地貌，主要由近南北向山脊及其两侧宽缓沟谷组成，包顶宽约20～30m，地形平缓，整体坡度约5～10°，侧坡坡度约20～30°，沟谷呈梯田状，整体坡度约10～15°。场地高程约390～430m，相对高差约40m。场地植被发育，沟谷多为水田，山脊处以杂树及果树为主。场地内及周边分布村民房屋，需搬迁民房约13户及500m长110kV架空输电线。

根据《中国地震动参数区划图》GB18306－2015，该厂址在Ⅱ类场地条件下地震动峰值加速度为0.05g，在Ⅱ类场地条件下特征周期为0.40s。

厂址不受沱江和附近河流100年一遇洪水位影响。

厂址及附近区域经现场踏勘无地表文物、无军事设施、无自然保护区、无文物古迹及保护单位。经矿区范围重叠检查，厂址未压覆矿产资源。

3、主厂房结构设计优化

3.1提出问题

主厂房结构的优化设计，是在满足工艺布置的基础上，对主厂房结构选型和结构体系进行优选论证。同时，充分借鉴国内外的先进设计思想，应用先进的设计手段和方法，采用新思维、新技术、新工艺，进行多方案优化比较，以达到满足生产运行、检修维护便利、缩短施工周期、节省工程量、控制工程造价，实现“更先进、更可靠、更经济”的设计目标，使业主以合理的投资获得最佳的经济效益和社会效益。努力打造一个高质量、低造价、低运行成本的优秀设计。

设计的主要原则是：在满足国家及行业有关规程规范的前提下，做到主厂房结构选型安全可靠、技术先进、结构布置合理、节约投资、便利施工的目的。

遵循所设计的主厂房结构应能达到“高速度、高质量、低造价，在设计方面技术先进合理的同时，还应充分考虑施工阶段的情况，使设计成果方便施工，缩短工期，质量容易保证，实现工程整体的优势，展示现代化新型电厂的风范。

我们将根据主厂房在工艺布置方面的特点，结合厂址区自然条件（抗震设防烈度6度（0.05g），场地土类别Ⅱ类），就采用钢筋混凝土结构和钢结构厂房，在耐腐蚀、耐火性能、今后运行中的维护工作量及工程造价等方面进行综合比较，最终确定适合本工程主厂房的结构型式。

3.2  主厂房工艺布置

主厂房采用发电机间、燃气（蒸汽）轮机间联合布置方案。主厂房按两台单轴联合循环机组设计，两套机组集中并列布置。燃气轮机、蒸汽轮机、发电机及其辅助系统布置在主厂房内。主厂房考虑单跨布置，跨度为65m，柱距9m～18m,燃机跨柱距18m。两套机组之间设置一道伸缩缝，总长度105m，屋面最高标高约40.500m；主厂房内设置1台140t桥式吊车及一台100t桥式吊车，轨顶标高分别为27.5m。

3.3  主厂房结构选型的主要原则

主厂房是电厂的核心建筑。其设计直接关系到电厂的安全经济运行、检修维护和工程造价。因此对主厂房进行优化，降低工程造价，是十分必要的。应采用新思维、新技术、新工艺，进行优化分析，以达到满足生产运行、检修维护便利、缩短施工周期、节省工程量、控制工程造价的目的，实现“更先进、更可靠、更经济”的设计目标，使业主以合理的投资获得最佳的经济效益和社会效益。

主厂房结构体系应符合下列要求：

（1）具有明确的计算简图和合理的抗风作用传递途径。

（2）有多道抗震防线，具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。

（3）具有合理的刚度和承载力分布，在两个主轴方向的动力特性宜相近。

（4）对可能出现的薄弱部位，应采取有效的措施提高抗震能力。

3.4  结构选型分析

3.4.1  概述

针对本工程的厂房布置特点，我们从国家和行业的有关规范、规程以及相关的科研成果着手，结合现场的地震和地质条件，以科学的、实事求是的态度，对钢结构和钢筋混凝土结构的可行性进行分析和技术经济比较，提出意见和建议。

3.4.2  钢筋混凝土结构与钢结构两种型式的比较

3.4.2.1  钢筋混凝土结构厂房

3.4.2.1.1  优点

a）应用广泛，技术成熟，施工管理不断完善，施工质量也不断提高；可根据工期及场地情况，灵活选择预制或现浇结构。

b）可与钢结构组合使用，充分发挥钢结构和混凝土结构各自的特点，有利于缩短工期，又降低工程造价。

3.4.2.1.2  缺点

a）厂房结构自重大，产生的地震作用较大，钢筋混凝土厂房的基础费用比钢结构厂房的基础高。

b）施工受气候条件影响较大，施工工期较长。

c）梁柱截面均比钢结构大，这样给工艺布置带来较多不利影响，可能导致厂房高度提高、跨度加大，厂房体积增大，费用增加。

3.4.2.2  钢结构厂房

3.4.2.2.1  优点

a）钢材具有很好的延性，抗震性能好；钢材的高强度可以大大减轻厂房的结构自重，减小地震作用的影响，减少基础的建设费用，具有较高的性价比。

b）提高厂房的有效利用面积。由于钢材强度较高，使得构件的截面减小，故可提高厂房的有效利用面积和体积。

钢结构由于自重轻，可以减小基础底面积尺寸，节省混凝土用量，据有关资料介绍，采用自重轻的钢结构，可使基础混凝土量减少30％左右。

c）节点连接简单可靠、受力明确。

3.4.2.2.2  缺点

a）造价较钢筋混凝土厂房高。

b）耐火性能不如钢筋混凝土厂房。

c）支撑的设置妨碍工艺设备及管道的布置。

3.4.2.3  两种结构形式的比较表

表3.4.2－1 钢筋混凝土结构与钢结构的比较

通过上表的对比可以看出，钢筋混凝土结构除主梁柱采用混凝土结构以外，其它部分基本同钢结构。

3.4.3  两种结构型式在本工程的适用性分析

从建设场地条件来讲，本工程的地震和地质条件较好。拟建场地地震动峰值加速度为0.05g，抗震设防烈度6度，场地土类别为Ⅱ类建筑场地，属于抗震不利地段。按照《建筑抗震设计规范》的规定，抗震设防烈度为6度时：钢筋混凝土框架结构适用的最大高度为60m；框架结构的钢结构房屋适用的最大高度为110m，框架－中心支撑结构的钢结构房屋适用的最大高度为220m。可见，从地震和地质条件分析，主厂房采用混凝土结构或钢结构都是可行的。

3.4.4  两种结构型式在本工程的经济性分析

3.4.4.1  钢筋混凝土结构计算

采用现浇钢筋混凝土结构时，利用中国建筑科学研究院编制的PKPM系列三维空间结构设计软件对主厂房进行初步计算分析：框架采用C35～C40混凝土，钢筋采用HRB400级钢筋，计算结果满足规程、规范的要求。

3.4.4.2  钢结构计算

钢结构主厂房计算分析采用STAAD/CHINA空间有限元设计计算软件，框架梁、柱、支撑与钢梁现浇板协同工作整体分析，求得构件合理断面，有利于减少结构自重，并具有较好的抗震能力及抗变形能力。

3.4.4.3  两种结构型式的经济性比较结果

现浇钢筋混凝土结构现场劳动强度大，工种多，需要较多劳动力，又受混凝土养护时间的限制，施工工期相对较长。钢结构构件大多数在工厂制作，现场拼装，连接方便，可缩短工期。

从施工角度来看，现浇钢筋混凝土结构土建现场施工工期较钢结构长，一般会比钢结构主厂房的施工工期长3个月左右。

从初期投资及日常维护成本来看：主厂房采用钢结构比采用混凝土结构初投资约高30％；钢筋混凝土结构耐腐蚀、防火性能好，基本不存在日常维护的问题，钢结构构件长期暴露于空气或潮湿的环境中，表面就要锈蚀，施工完毕后，存在长期防锈蚀、防火的维护工作，维护工作量大，成本高。

由以上论述：本工程主厂房采用钢筋混凝土结构及钢结构，在技术上都是可行的。

4.结论

a）本工程的地震和地质条件对主厂房结构的选型是很有利的，无论采用钢结构或钢筋混凝土结构都是可行的，也是适用的。

b）钢结构具有的优势为施工周期短、结构自重轻。而混凝土结构的优势为节约投资。

综上所述，遵照“经济适用、系统简单、备用减少、安全可靠、以人为本”的原则，本工程主厂房从结构设计的优化、工程造价合理及满足工期要求的角度，推荐主厂房采用钢筋混凝土结构方案。

参考文献：

[1]陈家华.关于结构设计优化技术在厂房结构设计中的应用探析[J].价值工程,2014,33(17):92-93.DOI:10.14018/j.cnki.cn13-1085/n.2014.17.065.

[2]蔡红军,蒋凤鸣,董辉.浅谈钢结构厂房设计[J].中国科技信息,2010(19):45.