国核电力规划设计研究院 北京100095
摘 要：本文阐述了火力发电厂厂房结构设计中的框排架结构，底下是框架结构、上层是排架结构的设计过程。结合实例设计过程，采用通过PKPM中的STAWE整体分析和STS二维排架设计二者结合设计，模型接近事实，整体结构要满足《建筑抗震设计规范》中多层钢结构的要求，同时上层的排架结构也要满足排架要求。
关键字：钢结构框排架 PKPM 结构设计
1前言
在火力发电厂厂房结构设计过程中，很多情况下因为使用空间和节约材料的要求，厂房要求被设计成下面是框架结构上面是排架结构或者左边是框架结构右边是排架结构的框排架结构。这样的结构在设计过程中，既要满足框架结构的要求，排架部分同时也要满足排架结构的要求。
2工程实例
2.1工程概况
某火力发电厂厂房结构为二层结构，底层层高15米，有15T桥式吊车，位于11米标高处，楼面活荷载5.0KN/M2,二层层高8.1米，距楼面6.0米处设置5T单梁吊车，屋面采用轻钢屋面。跨度21米，两跨，开间7米，共17个开间。厂房长X宽为42米X119米。除此之外，屋面从第2个开间至第16个开间还设置天窗架采光。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2012008版）（项目为2009年设计）抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g。房屋抗震设防类别为丙类。根据《抗震规范》第8.1.3条，房屋高度<=50m,抗震等级为四级。墙体材料+1.000米以下采用200mm厚混凝土砌块，+1.000米以上采用压型钢板。
2.2结构选型
该火力发电厂厂房结构二楼楼面荷载比较大，故采用组合楼板，由此底层采用框架结构，屋面是轻钢屋面，故二楼无需采用框架结构，采用排架结构即可，所以我们的厂房结构形式采用下部框架上部排架的结构形式。两个方向的跨度差别较大，所以刚度差别也会比较大，因此框架采用框架-支撑结构。《建筑抗震设计规范》8.1.6条规定抗震等级四级且高度不大于50m的钢结构宜采用中心支撑，中心支撑框架宜采用交叉支撑，支撑的轴线宜交汇于梁柱构件轴线的交点。房屋总长119米，总长大于60米且小于120米，底层框架设置两道支撑。支撑均匀布置，布置于第5个开间和第13个开间，采用H型钢支撑。二层排架结构，根据《抗震规范》第H.2.3条，多层火力发电厂厂房的支撑布置应符合，支撑布置在同一柱间上下贯通。所以在二层排架同样在第5开间和第13开间设置支撑，支撑顺着底层布置部位设置。支撑采用L型角钢。同时由于天窗架的设置，为了传递天窗架的荷载在第1开间和第17开间同样设置屋面水平支撑和竖向支撑。
2.3柱截面选型
结构跨度21米，跨度较大，开间7米，底层层高15米，荷载又比较大，若采用焊接“工”字型钢，很难满足长细比要求，现采用焊接“十”字钢柱。二层层高8.1米，屋面采用轻钢屋面，荷载比较小，而且受力方面为一个方向，故采用焊接“工”字钢。
2.4模型计算
框排架结构既要满足框架结构的计算结果，排架结构部分同时还要满足排架的计算结果，因此该建筑的结构模型首先在PKPM钢结构模块的框架三维模型与荷载输入中建立整体模型，屋面板按照实际的刚度折减成相应的屋面厚度输入模型中，然后用结构模块中的STAWE整体计算。在SATWE前处理的特殊构件补充定义中，设置二层的楼面为弹性膜，这样的模型设置更接近于事实。参数都定义好后，进行计算，整体结构要满足《抗震规范》及《钢结构设计规范》中的多、高层结构设计要求。二层的排架结构既要满足框架的整体位移角要求，同时也要满足排架的长细比，应力比等要求。所以，要另外选取不同的每一品排架用钢结构模块中的框排架PK交互输入与优化计算进行排架计算。在二维排架计算模型中，底层的梁柱采用规范是《钢结构设计规范》，二层的梁柱采用《门式钢架设计规范》计算。得出的结果底层的焊接“十”字型钢柱和焊接“工”字型钢梁按钢框架要求，二层的焊接“工”字钢柱和钢梁按钢排架要求。根据《建筑抗震设计规范》第5.5.1多、高层钢结构弹性层间位移角限制1/250，弹塑性层间位移角限值1/50。该项目用PKPM中的SATWE计算，最大位移角：X方向地震力作用下的楼层最大位移1/404；X双向地震作用下的楼层最大位移1/403；Y方向地震力作用下的楼层最大位移1/392；Y双向地震力作用下的楼层最大位移1/392。
弹塑性层间位移角在SATWE中不能直接计算出来，多遇地震影响系数最大值为0.08，罕遇地震影响系数最大值为0.5，即得罕遇地震与多遇地震的影响系数比值为6.25（0.5/0.08），根据上表能简化得出最大的弹塑性层间位移角：X方向的楼层弹塑性最大位移1/65；Y方向的楼层弹塑性最大位移1/63。
STAWE整体计算各项指标都满足规范要求之后，抽取一品排架进行钢结构模块中框排架PK交互输入与优化计算，其中底层的框架柱和框架梁采用的规范为《钢结构设计规范》，二层的排架柱和刚架梁采用的规范为《门式钢架设计规范》，所有梁柱的平面内、平面外长度系数均按实际输入，PK交互输入与计算主要是计算二层的梁柱，所以二层的梁柱要满足《门式钢架设计规范》的要求。
2.5节点设计问题及解决方法
2.5.1节点设计问题：
框架部分经过STAWE整体计算后，连接STS接口，进行全楼节点连接设计。工字形梁与十字形柱刚接连接采用连接类型为：悬臂梁段与钢柱刚性连接。梁悬臂段与柱应采用全焊接连接，梁的现场拼接采用翼缘焊接腹板螺栓连接。梁的拼接节点STS节点设计中会考虑设计。为了材料的节约，柱截面相对于跨度较大的框架梁来说，截面翼缘相对取得较薄，使得悬臂梁与钢柱焊接连接的计算结果通常会不满足结果。如：按抗震规范8.2.8条进行梁柱连接的极限承载力验算： Mu=437.664 <1.3Mp=473.311 不满足 ，加强需要的盖板厚度Tgb=6，（盖板厚+梁翼缘厚）>柱翼缘厚！无法加强！
2.5.2解决方法：
3 结束语
框排架结构是火力发电厂厂房建筑中常见的结构形式，无论是框架与排架侧向连接组成的侧向框排架结构厂房，还是下部为框架上部顶成为排架的竖向框排架结构厂房。框排架结构需要进行整体结构计算。同时排架也需要进行排架结构计算。整体计算框排架的所有构件都要满足框架结构的抗震要求，侧向或者顶层的排架部分要满足排架结构的抗震要求。
参考文献
[1] 陈骥.钢结构稳定理论与设计(第5版).科学出版社;第5版，2011-4
[2] 青木博文, 细泽治, 成原弘之, 福荣昇 (译）.结构设计专家入门:钢结构篇. 中国建筑工业出版社; 第1版，2012-3
[3] 邱鹤年.钢结构设计禁忌及实例. 中国建筑工业出版社; 第1版，2009-01
论文作者:郑晓梅
论文发表刊物:《科技中国》2016年4期
论文发表时间:2016/6/22
标签：排架论文; 结构论文; 梁柱论文; 位移论文; 开间论文; 钢结构论文; 二层论文; 《科技中国》2016年4期论文;