摘要：规程规定，钢混框架结构高层建筑7度时最大高宽比为4。燃煤电厂净烟道支架结构高度较高，横向单跨，且结构自重小，在基本风压较大或高烈度地区，结构受到弹性层间位移角或整体倾覆控制。结构受风荷载控制时除考虑顶部烟道风荷载外，尚应考虑支架本身构件的挡风荷载。文章利用PKPM软件PMSAP分析燃煤电厂净烟道支架结构采用不同的高宽比，在层间位移角的控制条件下，其混凝土框架梁、柱工程量的变化趋势，从而确定其适宜的结构高宽比。并进一步优化结构体系，对设置横向钢结构支撑的混凝土框架结构净烟道支架进行建模计算，分析其混凝土框架梁、柱及钢支撑工程量与结构高宽比的关系，确定其适宜的结构高宽比。最后根据项目所在地材料综合单价，对两种结构形式的净烟道支架在不同高宽比时的综合造价进行对比，从而得出燃煤电厂净烟道支架结构更为经济的结构形式及其高宽比。
关键词：高宽比；框架结构；钢支撑；位移角；经济性
绪论
为了进一步提高大气环境质量,中央与部分地方政府对燃煤电厂大气污染物的排放标准日趋严厉,超低排放工程成为燃煤电厂不可或缺的组成部分。净化后的烟气由脱硫吸收塔经净烟道排放至烟囱。由于吸收塔至烟囱距离较大，加之净烟道两端通常设置膨胀节与两侧吸收塔及烟囱烟道脱开，故在二者之间必须设置净烟道支架对烟道进行支撑。根据净烟道走势，下部支架一般采用纵向多跨，横向一跨的平面布置，顶层横向结构梁顶面设置钢结构支托，通过支托支撑净烟道。通常烟道沿纵向中部的支托为固定支撑点，两侧为滑动支撑点。
为了降低工程造价，目前燃煤电厂净烟道支架结构常采用钢筋混凝土框架结构，由于结构为开敞结构，中部各层均无楼板且一般无设备布置，该结构具有自重荷载小，水平荷载大且集中在建筑物顶部的特点。当结构高度较高时，采用混凝土框架结构需要较大的框架梁、柱截面以保证结构侧向刚度，为了降低工程造价，对净烟道支架设置横向支撑，为了施工方便，且支撑工程量有限，一般采用钢结构支撑。设置钢支撑后，能显著减少支架混凝土的工程量，且具有良好的结构侧向刚度。
文章通过PKPM软件PMSAP建模分析计算，总结对比无横向钢支撑及设置横向钢支撑的钢筋混凝土结构净烟道支架采用不同高跨比，对其各自钢筋混凝土工程量的影响，并对二者加以比较，确定经济的结构类型及适宜的结构高跨比，为类似工程提供设计参考。
1 项目概况
新疆华电吐鲁番2x350MW机组冷热电多联供工程环保岛项目，抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.15g，地震分组：第二组，场地类型Ⅱ类，特征周期：0.4s。抗震设防类别为丙类。钢筋混凝土框架的抗震等级为二级。基本风压为0.85kN/m2，基本雪压：0.2kN/m2。顶部烟道尺寸7m
4m（宽
高），两端膨胀节间的距离23.6m。
本工程净烟道支架根据功能要求及结构特点，底层7m，其他层6.6m。顶部烟道通过混凝土预埋件连接。烟道沿纵向，中间设固定支撑点，两侧设滑动支撑点。结构整体分析时，不考虑烟道温度膨胀摩擦力。
该结构在方案阶段净烟道支架尺寸为9m
18m
40m（长
宽
高），纵向两跨，横向为单跨框架。单跨方向受侧向风荷或地震荷载作用。当烟道支架较高时，横向跨度对烟道支架经济性有影响。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010[1]规定，高层钢筋混凝土框架结构在6度、7度抗震设防烈度时适用的最大高宽比为4。由于净烟道支架框架结构无维护墙体，主要荷载集中在顶部，与高层民用建筑结构存在较大差异，下文将对其经济高宽比进行讨论。
2 钢筋混凝土框架结构支架分析
根据计算，顶部烟道重力荷载标准值2000kN，横向风荷载标准值381kN。共布置三个支点，即顶部三根横向混凝土梁顶面之上，经分析，中间梁顶作用重力荷载标准值1000kN，作用横向风荷载89kN，两侧梁顶作用重力荷载标准值500kN，作用横向风荷载146kN。因烟道两端设置膨胀节，顾支架顶部无烟气推力，纵向风荷载不计。
（1）建模计算
利用PKPM软件PMSAP分析，对净烟道支架建模计算，由于烟道支架结构无封闭外围护，为敞开结构，故部分设计人在设计中常忽略结构自身受风荷载。对于结构自重较轻，受风荷载控制的结构，这种做法是不安全的。故文章在模型计算中考虑支架自身构件挡风荷载及顶部烟道风荷载，对不同高跨比的烟道支架进行计算。初步分析结构水平荷载受风荷载作用控制，主要控制参数，弹性层间位移角按照《建筑抗震设计规范》（2016年版）GB5011-2010[2]要求，限值为1/550。计算模型如图2-1所示。
图2－1 净烟道支架
（2）计算结果统计
分别对高跨比4~10的净烟道支架进行计算。随着高跨比增加，在保证目标弹性层间位移角限制的情况下，框架柱的横向尺寸逐渐增大，框架梁的尺寸逐渐减小，总混凝土材料量先减少后增大，含筋率略有增加趋势。分析结果详见表2-1。
由表中数据可知，随着净烟道支架高跨比逐渐增加，混凝土工程量由207m3逐渐减小至183m3，随后逐渐增大至220m3，最小值约为最大值83%，含筋率差别较小。故根据计算结果可知，钢筋混凝土结构净烟道支架经济高跨比约为7~8，若场地用地紧张时可选用较大值。方案阶段烟道支架横向跨度为9m，根据表中数据插值估算，其工程量约为199m3，与高跨比7时比较，混凝土量多出约为8.7%。
表2－1 净烟道支架工程量统计表
3 钢支撑混凝土框架结构支架分析
为进一步降低材料工程量及减少占地面积，对净烟道支架混凝土框架结构横向增加钢支撑，以增加其横向刚度，钢支撑采用圆形钢管截面，按照单系斜杆布置，受压构件考虑，截面初选按照长细比1/120~1/150确定，并满足计算要求。烟道支架结构顶部烟道荷载与钢筋混凝土结构烟道支架相同，如前所述。
（1） 建模计算
利用PKPM软件PMSAP分析，对净烟道支架建模计算，考虑支架自身构件挡风荷载及顶部烟道风荷载，对不同高跨比的烟道支架进行计算。初步分析结构水平荷载受风荷载作用控制，主要控制参数，层间位移角按照规范要求，限值为1/550。计算模型如图3-1所示。
图3－1 净烟道支架
（2） 计算结果统计
分别对高跨比6~10的净烟道支架进行计算。随着高跨比增加，在保证目标层间位移角限制的情况下，框架柱的横向尺寸逐渐增大，框架梁的尺寸也逐渐增大，总混凝土材料量逐渐增加，含筋率有降低趋势。分析结果详见表3-1。
表3－1 净烟道支架工程量统计表
由表中数据可知，设置横向钢支撑后，在满足弹性层间位移角要求（1/550）的前提下，较之前无支撑的钢筋混凝土结构支架框架梁柱截面显著减小，且增加的钢结构支撑工程量有限。因结构高跨比达到6时，框架柱、梁截面已减小至规范最低构造要求值，若跨度进一步增加，因框架梁为保证其刚度条件，截面可能会有所增加，故在支撑框架结构中未包含高跨比4跟5的情况。
在高跨比6~10的情况下，随着净烟道支架高跨比逐渐增加，混凝土工程量由79m3逐渐增加至130m3，最小值约为最大值61%，含筋率逐渐减小。当高跨比大于8时，钢材量有所增加，主要原因是跨度减小后，为保证结构整体侧向刚度，梁柱尺寸增加，内力增加，钢支撑截面尺寸相应增加；当高跨比小于8时，钢支撑因长度增加，钢材量略有增长。故根据计算结果可知，钢支撑钢筋混凝土结构净烟道支架随着高跨比增加，工程量呈增长趋势。若用地面积允许的情况下，可使跨度尽量小一些。但跨度超过一定范围后，梁柱尺寸为保证刚度条件，截面增加，导致工程量增加。根据前表计算结果，可选用高跨比6~7进行设计。
4 计算对比
对混凝土框架净烟道支架与设置钢支撑的混凝土烟道支架工程量对比可知，设置横向斜向钢支撑后，混凝土工程量显著减少。含筋率在高跨比6~7时，二者相当，在高跨比8~10时，前者大于后者。但后者增加了少量钢结构工程量。为了方便对比，根据项目所在地区材料综合单价，混凝土1089元/m3，钢筋6855元/吨，钢结构8000元/吨，对两种结构体系，混凝土、钢筋及钢结构以价格计算，汇总于表4-1。
表4－1 钢支撑钢筋混凝土净烟道支架工程量价格统计表
由上述表格可知，对于钢筋混凝土净烟道支架，钢筋与混凝土综合计价，高跨比8时最少，为41.9万元，与高跨比10时49.4万元对比，约为其费用85%，与高跨比4时46万元对比，约为其费用91%。对于设置横向钢支撑的混凝土净烟道支架，钢筋、混凝土及钢结构综合计价，高跨比6与7时最少，为23.5万元，与高跨比10时34.7万元对比，约为其费用68%。
经计算统计，净烟道支架高跨比为6、7、8、9、10时，设置横向钢支撑的烟道支架综合价格约为不设置钢支撑纯混凝土框架烟道支架综合价格的55%、56%、62%、66%、70%，二者比值随着高跨比的增大而增大。
本项目施工图阶段，经优化后采用横向钢支撑的混凝土框架结构，横向跨度5m，较方案阶段横向跨度9m的无支撑钢筋混凝土结构净烟道支架，综合造价减少约42%。
结论
当净烟道支架采用混凝土框架结构时，按照《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010规定的建筑物高跨比4进行设计并不经济，根据烟道支架的结构特征及受力特性，可采用高跨比7~8进行设计，设计时应当注意对构件挡风荷载的考虑。
对于设置横向钢结构支撑的混凝土框架净烟道支架，其综合造价随着高跨比的减小而减小，相对于无支撑的纯混凝土框架结构支架，其综合造价约为55%~70%，且经济性随着高跨比增加而逐渐降低，如条件允许时应尽量考虑采用该结构形式，考虑经济性及用地面积等因素建议采用的合理高跨比为6~8。
当结构高宽比较大时，对于水平荷载较大的结构尚应验算倾覆力矩对整体稳定的影响。
对于原烟道支架及联络烟道支架，因其一般具有较大的烟气水平推力及横向风荷载，其设计也可根据实际情况，参照文章结论进行设计。
参考文献
[1]《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010.
[2]《建筑抗震设计规范》（2016年版）GB5011-2010.
论文作者:侯学谦
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/26
标签：支架论文; 烟道论文; 荷载论文; 结构论文; 横向论文; 混凝土论文; 工程量论文; 《基层建设》2019年第14期论文;