薄壁离心钢管混凝土在电厂综合管架中的应用

　　摘要：结合工程实际，针对薄壁离心钢管混凝土在电厂综合管架中的设计过程遇到的问题，探讨了管架的结构布置，计算模型的建立，参数取值和计算方法及节点构造，总结了薄壁离心钢管混凝土在电厂综合管架设计中设计经验。
　　关键词：薄壁离心钢管混凝土，管架，电厂
　　一、前言
　　薄壁离心钢管混凝土结构是一种由薄壁钢管内浇筑混凝土经离心成型的空心钢管混凝土结构，是一种新型的钢-混凝土复合结构，它不但可充分发挥钢和混凝土两种材料物理力学特性，又可克服这两种材料在各自单独使用时的弱点。本结构主要是应用于杆塔结构，发电厂和变电所的屋外配电装置的构架和设备支架，微波塔以及其他类似的塔架结构。随着应用范围的不断扩展，300MW、600MW机组火力发电厂的厂区综合管架支柱也越来越多的采用薄壁离心钢管混凝土。本文就薄壁离心钢管混凝土在电厂厂区综合管架设计中遇到的一些问题进行了总结，作为今后的工程设计参考。
　　二、设计情况
　　1.工程概况
　　浙江某电厂工程规划装机容量4X600MW国产亚临界机组，厂区综合管架柱采用薄壁离心钢管混凝土，厂区综合管架总长度近1500米。由于综合管架所经过的路线长，地下管线及设施布置复杂，厂区道路纵横交错，工艺专业管道众多，管道支吊点设置要求多，管道荷载较大等，给管架结构布置带来较大困难。
　　2.结构布置
　　管架上部结构体系:横向为钢梁与薄壁离心钢管柱刚接框架结构,纵向连梁为铰接钢梁或钢桁架+垂直支撑。管架横向跨度3~5米不等，一般分二层，高度分别为5.45米、6.95米，个别管架有三层。管架纵向间距一般6米左右，因跨越道路、循环水管及地下设施要求，需设置20~30米不同跨度的桁架。参照以往工程及《钢结构设计规范》(GB50017-2003)8.1.5条规定，管架长度100米左右设一道伸缩缝。间距6米左右的管架横向结构布置见图一；一侧有桁架的管架，考虑到荷载相对比较大，为提高管架支柱的承载力及结构的侧向刚度，增加了柱间垂直支撑，横向结构布置见图二；考虑到除灰、汽机工艺专业管道有较大的纵向水平荷载及提高纵向结构体系的侧向刚度，在纵向长度大约1/3处设置柱间垂直支撑，且尽量靠近纵向水平荷载位置，减少传力路径。
　　
　　3.构件设计
　　3.1设计原则和要求
　　设计主要依据《薄壁离心钢管混凝土结构技术规程》DL/T5030-1996、《钢结构设计规范》GB50017-2003、《火力发电厂土建结构设计技术规定》DL5022-1993。
　　3.2材料
　　根据管架荷载和高度要求，管架支柱初步选用薄壁离心钢管混凝土(Φ300X6-30)、(Φ350X6-30)两种类型，钢管采用螺旋焊接管，离心混凝土采用普通C40混凝土；梁、支撑采用钢结构,钢材均采用Q235B。
　　3.3荷载及荷载效应组合
　　恒荷载：管道、内衬、保温层的结构自重，管道内介质自重，管架自重，预留管道荷载。
　　活荷载：管道温度变化产生的纵向和横向水平力。
　　风荷载：风荷载计算根据《土规》附录F
　　地震作用：根据《火力发电厂土建结构设计技术规定》（DL5022-1993）9.9条规定，不进行抗震验算，但按6度抗震构造措施设计。
　　荷载效应组合采用《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006版)，但是活荷载、风荷载的组合系数值取0.85。
　　3.4承载力、变形计算
　　3.4.1管架结构按弹性体系计算内力。
　　管架可以简化为平面结构分析。由于管架柱是钢-混凝土复合结构，而PKPM程序中没有这种构件截面类型，如何模拟管架柱的刚度成为结构分析的关键。而staad/pro有限元程序可以把构件定义为一般截面，只要输入其中几个截面参数比如：截面积、惯性距等及材料特性，就能模拟构件的刚度，从而可以分析结构。参照文献[1]5.0.3条，计算出管架柱的综合刚度，综合刚度可按下式计算：
　　压缩刚度：E0A0=EsAs+EcAc(1)
　　拉伸刚度：E0A=1.2EsAs(2)
　　弯曲刚度：EI=EsIs+0.85EcIc(3)
　　
　　式中As，Is—分别为钢管的截面面积和对其重心轴的惯性距；
　　Ac，Ic—分别为混凝土管柱的截面面积和对其重心轴的惯性距；
　　Es，Ec—分别为钢材和混凝土的弹性模量。
　　把它的材料特性定义为钢材，并按其综合刚度折算，计算出构件截面的面积、惯性距等参数。这样就解决了管架柱刚度如何模拟的问题，所以结构分析采用staad/pro有限元程序。取有代表性的横向管架两榀，结构布置分别见图一、图二。通过staad/pro有限元程序建模，梁、柱、支撑都是杆单元，其中把柱定义为一般截面，材料特性定义为钢材，并按其综合刚度折算，输入截面的面积、惯性距，梁、支撑按实际截面、材料特性输入，再输入各个荷载工况。通过结构分析，得出每个构件的各个荷载工况及组合荷载工况的内力及结构的变形。
　　3.4.2强度和变形计算
　　管架柱分别按偏心受压、偏心受拉、受弯构件进行强度计算，构件的长细比限值按文献[1]3.0.5~3.0.6条规定偏保守的取120。承载力按文献[1]4.1条规定计算，偏心受压构件的极限承载力设计值可按下式计算：
　　N0=ASFS+1.3ACFC(4)
　　NU=φLφeN0≥N(5)
　　式中NU—偏心受压柱的极限承载力设计值
　　φL—考虑长细比影响的承载力折减系数
　　φe—考虑偏心率影响的承载力折减系数
　　N—设计轴压力
　　N0—轴心受压短柱的极限承载力设计值
　　Ac，As—分别为混凝土和钢管的截面面积
　　Fc，Fs—分别为混凝土和钢管的抗压强度设计值
　　偏心受拉构件的极限承载力设计值可按下式计算：
　　Nt=AsFs1+(1.05+0.15Φ)ε0≥N(6)
　　式中Nt—偏心受拉构件的极限承载力设计值
　　N—设计轴拉力
　　Ф—构件的含钢特征值，Ф=AsFs1.3AcFc
　　ε0—构件的偏心率，ε0=e0r
　　r—钢管截面的外半径
　　受弯构件的极限承载力设计值可按下式计算：
　　Mu=Φ1+1.55ΦN0r≥M(7)
　　式中Mu—受弯构件的极限承载力设计值
　　M—设计弯矩
　　其中杆件的计算长度系数μ如何取值是关键，文献[1]4.1.7条规定应按有关规范和专业技术规定取用，参照文献[1]条文说明4.1.7~4.1.9条，比较《钢结构设计规范》GB50017-2003中的附录D与《钢管混凝土结构设计及施工规程》JCJ01-89中附表四、五,柱的计算长度系数μ取值是一样的，因此计算长度系数μ按《钢结构设计规范》GB50017-2003附录D中规定取值，等效计算长度系数偏保守的取K=1。通过计算分析得出薄壁离心钢管混凝土柱(Φ300X6-30)、(Φ350X6-30)的设计轴压力N与偏心受压极限承载力设计值NU的最大比值分别为0.66、0.60，设计轴拉力N与偏心受拉极限承载力设计值NT比值，设计弯矩M与受弯构件极限承载力设计值比值更小，均满足规范要求。
　　管架在正常使用阶段变形限值按文献[1]5.0.1条，规定应按有关规范和专业技术规定取用。比较《钢结构设计规范》GB50017-2003中的附录A与《钢管混凝土结构设计及施工规程》JCJ01-89中表3.2.3-1、表3.2.3-2，多层框架的变形限值取值是一样的，后者增加了框架-斜撑结构型式的变形限值。因此管架的侧向变形限值按《钢管混凝土结构设计及施工规程》JCJ01-89中表3.2.3-1、表3.2.3-2中规定，即风荷载标准值作用下，多层框架层间相对位移限值为h/400,柱顶位移限值为H/500；框架-斜撑层间相对位移限值为h/600,柱顶位移限值为H/800。通过staad/pro有限元程序分析，管架层间相对位移柱顶位移均满足规范要求。
　　钢梁、柱间支撑等钢结构构件的强度、稳定验算通过staad/pro有限元程序完成，并满足规范要求。
　　4.节点设计
　　4.1根据文献[1]6.1.1条规定：①、节点强度要大于母体强度，并留有一定的裕度及满足刚度要求。②、构造力求简单，传力明确，整体性好，要使钢管和混凝土管能共同工作。
　　4.2管架柱与钢梁、钢支撑的连接均采用焊缝连接，因对较薄钢板，焊缝强度不能达到与母材等强度的要求，故连接设计中均增加10mm外衬管。
　　4.3柱与基础的连接方式采用杯口插入式，杯口基础的尺寸、配筋及柱与杯口基础的连接等要求需满足《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)第8.2.5条。插入杯口的深度除满足文献[1]6.4条计算要求外，并不得小于1.5D。钢管柱基础还应高出地面200mm以上。
　　三、小结
　　1、薄壁离心钢管混凝土在电厂综合管架中的应用在设计中要考虑以下一些问题：
　　1.1合理的布置结构
　　1.2如何模拟管架柱的刚度。
　　1.3管架柱的计算长度系数μ如何取值。
　　1.4管架在正常使用阶段变形限值如何取值。
　　1.5节点设计的构造要求。
　　2、工程设计和应用表明，薄壁离心钢管混凝土作为1种复合结构，在节省钢材、水泥以及降低工程造价方面具有十分明显的优势，且设计理论日益成熟，使其有具有广阔的前景。
　　参考文献：
　　[1]DL/T5030-1996.《薄壁离心钢管混凝土结构技术规程》
　　[2]DL5022-1993.《火力发电厂土建结构设计技术规定》
　　[3]GB50017-2003.《钢结构设计规范》
　　[4]JCJ01-89.《钢管混凝土结构设计及施工规程》