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网架结构在发电厂主厂房屋面中应用的经验--徐州先禾网架公司

【摘要】 鉴于空间网架屋面结构有很大的优势和特点,发电厂主厂房汽机间屋面和变电站控制楼采用网架结构和轻型屋面越来越多,但在2005年几个电厂出现屋面网架工程垮塌事故,不少工程将网架结构改为普通钢屋架结构。徐州先禾网架公司通过结构案例讨论了汽机间屋面采用网架结构的优缺点,分析了出现垮塌事故的原因,提出了汽机间屋盖采用网架结构设计时的问题和建议,同时对网架工程实施过程管理方面提出了应该注意的问题。


一、网架结构是适宜于大跨度的空间结构
  网架结构是空间网格结构中一种形式,绝大部分网架结是采用钢管加球形节点制作而成。网架结构一般分为以下由平面桁架系、四角锥体、三角锥体和六角锥体组成的网架结构四大类。
  在火力发电厂主厂房汽机房屋面系统通常采用的是正放四锥体网架,组成这种网架的四角锥底边是与边界平行或垂直的,角锥满铺于整个网架平面。网架的上(下)弦节点即是顺(倒)置角锥的顶点,也可看成是倒(顺)置角锥底边的角点,从而使同方向的上、下弦杆的平面投影正好形成两组平行线,互差半个网格间距。形成的上、下弦网格通常都是正方形的,当两个方向的弦杆长度不等时,也可形成矩形网格。
  网架结构的优点和特点:
  1、空间工作,传力途径简捷,对大跨度,大柱网屋盖结构比较合适。
  2、结构重量轻,经济指标好。与同等跨度的平面钢屋架相比,当跨度<30m时,可节省用钢量5~10%;当跨度>30m时,可节省10~20%。
  3、空间刚度大,结构自重小,抗震性能好。
  4、施工安装简便。网架杆件和节点类型少,尺寸不大。运输、储存、装卸、拼装都比较方便。
  5、网架的平面布置灵活,屋盖系统平整,有利于吊顶,管道和设备安装。
  在20世纪中叶,特别是近30年来,空间网架结构在全世界广泛应用于体育馆、飞机库、展览中心等大跨度建筑。国内从1964年建成第一幢平板形网架结构以后,40年来网架结构迅猛发展,网架结构的建设,制造规模均在世界首位
  鉴于空间网架屋面结构有很大的优势和特点,特别是唐山大地震后,为减轻结构自重,发电厂主厂房汽机房屋面和变电站控制楼采用网架结构和轻型屋面越来越多,90年代初在盘山发电厂和神头第一发电厂二期 (2×500MW) 汽机房屋面采用网架结构获得成功,起到了推动作用。2000年火力发电厂示范设计侧煤仓体系中,汽机房屋面系统经探讨和分析,从多方面提出网架结构的经济性和合理性,在很多发电工程主厂房中采用网架结构。但因2005年4月和7月分别在山西长治发电厂 (2×300MW) 和内蒙古新丰热电厂 (2×300M) 出现屋面网架工程垮塌事故。其后不少工程将网架结构改为普通钢屋架结构。
  汽机房屋面结构的空间网架,在目前各个主体设计单位一般都外委给钢结构网架公司设计、制作和安装。主体设计单位提出设计技术条件和特殊要求,编写招标书,在招标答疑过程中负责对设计技术的特殊要求进行说明和重审。主体设计院应该负责确认采用的规程规范是否符合合同文本;设计范围、深度及计算原则是否符合合同要求;网架的设计是否满足规范和合同要求。
二、汽机房屋面网架结构体系的技术经济特点
  2000年示范电厂设计,主厂房结构采用外煤仓方案,汽机头部靠近锅炉,在客观上汽机房为采用空间网架屋面结构提供了更多的优势。西南电力设计院在2000年示范电厂(300MW常规发电机组)工程设计中,采用美国STAAD-III空间结构分析软件对以上几种屋面结构型式作了比较分析。
  该工程汽机房平面尺寸:24m×48m,纵向柱距:2×11+10+3×8=48m;山墙柱柱距:2×9+6=24m。网架结构采用周边柱支承,考虑山墙柱作为网架结构的支承点并传递山墙风荷载;钢屋架、轻钢结构为单向受力,双边柱支承。屋面拟采用轻型双层保温夹芯压型钢板,屋面恒载(不包括承载结构重量,但包括檩条重量)为0.3kN/m2,屋面活载:0.7kN/m2;考虑利用屋盖结构的刚度承担并传递水平荷载。网架杆件一般不超过Ф133×8,网架结构柱顶与框架柱铰接。轻钢结构钢梁高度一般在750mm~900mm之间,钢桁架、轻型门型钢架与框架柱刚接。通过对网架和轻钢屋面结构两种方案的计算分析。
  空间整体性能计算结构计算表明:当采用网架结构型式时,在横向水平刹车力的作用下,网架结构山墙的内力大于轻钢结构,而变位则小于轻钢结构;在纵向水平刹车力作用下,山墙的变位和柱脚内力均大于轻钢结构,这一计算结构表明,网架结构的空间性能优于轻钢结构。STAAD-III模拟的吊车横向水平刹车力的作用下的结构整体变形图形来看,轻钢结构主要靠刹车力作用平面内的钢架承担,而网架结构左右两跨宽度范围内的柱顶节点仍然有一定的位移,位移曲线对比表明,网架结构主要靠结构的整体协同作用共同承担横向局部水平荷载。
  计算结果表明:从用钢量指标和变形值来看:二者均是网架最优,钢桁架次之,而轻钢结构最差。这是由于本工程屋面结构长宽比为:48m/24m=2≤2.5,采用网架结构可以充分发挥网架结构在周边支承、双向受力条件下的良好受力性能。网架结构网格尺寸较小(一般在2.5~3.0m之间),屋面檩条的用钢量较钢桁架和轻钢结构亦可有较大幅度的降低。
  目前空间网架屋面结构常用以下几种方法:① 整体吊装,实施的可能性取决于工程施工单位实际吊装能力。② 小单元高空拼装,目前较受施工单位欢迎,(如徐州彭城电厂汽机房屋面网架,施工时一次吊装9m×27m网架小单元)。③ 高空散装,需要利用汽机房行车或另外制作作施工用的平台(如江西丰城电厂汽机房屋面网架安装)。但由于施工时的初始应力和初始变形较大,汽机房行车的使用与设备安装专业矛盾比较突出,电建公司一般不会考虑网架公司利用汽机房行车的安装条件。设计单位一般不应该推荐②③的高空拼装和高空散装方案。
三、主厂房汽机房网架结构屋盖的事故
  在火力发电厂主厂房屋面结构中大量采用网架结构的火爆年代,2005年4月和7月分别在山西长治发电厂 (2×300MW) 和内蒙古新丰热电厂 (2×300M) 出现屋面网架工程垮塌事故。汽机房屋面网架结构的采用受到了质疑。火力发电厂汽机房屋面结构采用网架结构立刻少下来了。
  新丰热电厂出现屋面网架工程垮塌事故后,我们对已建的网架工程进行了全面的检查和复核。大同二电厂屋面网架发现有几个杆件出现屈曲,电厂立即组织人员进行加固。结构复核过程中也发现有些网架结构的杆件应力比已经≥1.0,这种情况比较麻烦,对于压杆可以包套管进行加固,但对于拉杆就不好处理,拉杆加固涉及到一连串的球形节点和相应的杆件。
  在2008年5月12日汶川发生里氏8.0级大地震后,巴蜀江油发电厂的部分建构筑物受灾情况严重。地震中,按7度地震设防烈度设计的#33机汽机房 (2×300MW) 屋面网架整体垮塌,除部分撒落于检修跨的0米地面及吊车上外,其他均掉落于运转层平台上,汽轮发电机等辅机已被掉物覆盖,掉落的网架已完全解体。
  1、内蒙古新丰热电厂屋面网架工程垮塌情况
  内蒙古新丰热电有限责任公司2×300MW工程于2004年10月23日开工,同年12月27日安装结束。为了加快施工进度,业主要求于2004年11月14日陆续开始安装(①~④轴之间)GRC屋面板、屋顶风机,并进行屋面防水工程施工,2005年7月8日防水工程处于收尾阶段。2005年7月8日10时43分,该网架⑥~⑨轴间发生垮塌,垮塌面积为968.625m2,造成严重的人员伤亡及其他损失。



图1 网架屋面发生垮塌


  (1)事故后现场检查出来的主要问题
  1)有的支座节点上的两根斜腹杆及该支座相邻的两个上弦节点上的斜腹杆与节点没有按设计要求采用高强螺栓连接,而是焊接连接,焊缝面积很小,质量差。为了使⑨轴线整跨球型节点的标高一致,在支座处外套一个球壳。



图2 在支座处外套一个球壳

图3 斜腹杆与节点而是焊接连接


图4 两个支座底板未见焊接痕迹


  2)部分高强螺栓紧固不到位,有的只拧入2~3扣,没有满足1.1倍螺栓直径的要求。
  3)网架支座与A、B列牛腿予埋件没有可靠连接,支座底板未见焊接痕迹,有的支座底板三边焊接,焊缝长度不够,焊脚高度只有约5mm;按规定应该是四边满焊,焊脚高度应为12mm。
  4)螺栓球材料是45#钢,在现场取样的检验中,发现钢球锻造过程中形成了过热组织,不满足规范要求。螺栓采用40Cr钢,但在螺栓杆表面和近表面发现裂纹两侧有脱碳现象。
  (2)事故的技术原因分析
  该网架屋面垮塌事故经电力规划设计总院调查评审的主要原因如下:
  1)网架在高空散装过程中与屋面板安装交叉作业,始终没有采取临时支撑措施。目测到相邻的网架下弦边节点的安装挠度大于100mm,安装挠度严重超标。
  2)在施工过程中,该网架的①~②轴线范围网架在地面拼装,拼好后吊装就位。从②轴线起采用高空散装法,网架拼装到④轴线时开始安装屋面板。因未设置临时支撑,在网架自重和屋面板重量的作用下,拼装好的网架一定会产生挠度使网架变形,当拼装到⑧~⑨轴线时,变形积累达到了最大,致使高强螺栓紧固不到位,最后导致⑨轴B列处支座节点上的两根斜腹杆及⑨轴上相邻两个上弦节点上的斜腹杆拼装不上去。对这些拼装不上去的杆件,施工单位采取了杆件与球节点焊接连接的方法。而且焊接的强度与这些杆件正常工作时所应承担的内力相差很大。所以该杆件与支座螺栓球节点连接的焊缝首先断裂。网架垮塌由此开始,直到⑥轴线为止。计算机仿真计算也验证了上述分析。
  3)分析认为,部分高强度螺栓拧入深度不足,致使高强度螺栓连接承载力不足以及部分高强螺栓、螺栓球及杆件等部分材料不合格,也是连续垮塌的因素。
  4)两台行车作业移动(起吊除氧器重约72.6吨),遭遇停电突然停止在⑧-⑩轴间,对处于垮塌临界状态的网架结构是导致其提前垮塌的诱发因素。
  2、江油发电厂#33机组屋面网架工程垮塌
  巴蜀江油发电厂#33和#34 (2×300MW) 汽机房屋面网架跨度27.000米,设有二台75吨/20吨轻级工作制吊车。网架横断面为双坡型式,其网架单元采用正放四角锥。网架支座置于钢筋混凝土托梁和柱牛腿上。
  在汶川5.12大地震地震中,#33机汽机房屋面网架整体垮塌,除部分撒落于检修跨的0米地面及吊车上外,其他均掉落于运转层平台上,汽机等主机已被掉物覆盖,掉落的网架已完全解体。#34机屋面网架尚未垮塌,经检测发现部分杆件有肉眼可见的弯曲变形。
  网架支座底板下的过渡板与预埋件焊缝完好,网架在支座处的破坏主要是底板与过渡板之间的连接螺栓被拉出,网架的其他部位也为螺栓球节点处的螺栓被剪断。支承网架的混凝土构件(A、B列柱及牛腿、托梁等)以及固定端山墙结构完好,连接网架的预埋件也完好,未见任何脱落现象。#33机组汽机房屋面网架受灾情况见图1。
  2003年设计的#33机组汽机房网架屋盖垮塌主要原因为超过预期的巨大地震力作用。按7度地震设防烈度设计的#33机汽机房网架屋盖,在汶川大地震中承受到近10度的地震作用,垂直地震可能视网架杆件内力变号,主厂房结构整体扭转作用可能使网架结构的角部支座首先破坏失效,引发网架结构整体坍塌。而且在地震后,发现#33机组汽机房网架屋面虽然没有垮塌,但网架部分杆件有屈曲现象,网架节点和支座不能试验、检测和鉴定,经过评审,决定把没有垮塌的#33机汽机房 (2×300MW) 网架屋面也整体拆除,换成普通钢屋架屋面。值得思考的问题是,在1985年按6度地震设防烈度设计的#31和#32机汽机房 (2×300MW) 普通钢屋架屋面在大地震中没有破坏、没有垮塌。这些情况说明,主厂房汽机房屋面采用网架结构在设计制作和施工安装方面有一些先天的缺陷和问题。把网架结构采用到汽机房屋面结构还有许多问题需要分析研究。总体设计院在外委给网架工程公司全面实施时,应该注意土建设计(整体分析)与网架设计(局部分析)的衔接协调;对荷载应考虑一定的富裕量,不应满应力设计;支座节点应单独设计计算。


图5 汽机房网架垮塌

图6 底板与过渡板之间的连接螺栓被拉出

四、汽机房屋盖采用网架结构的问题和建议
  网架结构虽然有很多优点,但主厂房汽机房屋盖工程中采用反映出一些问题,在工程建设和使用过程中都出现过工程事故,江油电厂Ⅲ期3号机屋盖在汶川大地震中又全面垮塌,更引起人们的注意。现提出几个问题和建议,供大家参考和讨论。
  1、设计中应该重视的问题
  1)汽机房屋盖网架结构在平面上,长宽比一般为3:1,而且网架的支承只有A和B列,其它两边是开口的,不能实现四边支承,对于网架结构受力已经没有太多的经济性和合理性。通常的正放四角锥网架结构长宽比在1.5:1.0以内比较合适。
  2)在汽机房屋面采用网架结构方案,设计单位一般外委给钢结构网架公司作结构设计和施工安装。网架公司设计人员对网架结构与主厂房框排架结构的支座连接和变形协调技术条件不能全面理解。
  ① 整体网架结构仅支承在A、B两列柱的纵向结构上,但A列和B列柱参予网架支座计算的刚度不明确,一般总体设计院只能提供一个粗略的估算值,但支承结构的钢度对网架结构杆件内力却是比较敏感的,网架结构支座间距一般3.0米左右,可以有不少支座是放在纵向连梁上,支座刚度就更难设定。
  ② 网架结构在固定端,扩建端或设备检修跨的轴线上不能设支承点,这个轴线上的支座节点在主厂房框排架结构整体出现受扭作用时,受到的荷载作用会大幅增加,所以在四川江油发电厂屋盖网架结构垮塌首先由这里破坏而开始。
  ③ 网架设计规程中建议跨度小于24m时,可以不作温度差异作用计算,但发电厂主厂房施工周期较长,厂房一般都要跨年度才能封闭,温度作用按地区不同,有的季节温差可能达50℃以上,网架支座的螺栓何时拧紧固定,对网架结构的温度附加应力影响很大,但在钢结构网架公司一般都忽略了这方面的验算。同时660MW以上机组汽机房屋面网架结构单元在纵向长度可达90米以上,结构的差异温度作用有多大?在网架结构设计中也往往被轻视。
  ④ 目前网架公司设计和施工的网架结构,支座的数学计算模型与实际结构出入比较大,实际受力是铰接,半铰还是固接不清晰,造成支座连接的受力很复杂。目前已建工程中支座设计形式比较单一,端部、角部和中间支座构造基本一样,在控制荷载工况下,有的支座会提前破坏。
  3)目前钢结构网架公司提交的结构分析结果显示,很多杆件的应力比超过1.0,使结构的安全度明显不足。
  ① 网架公司在钢管采购中,对管壁厚度负公差不注意,为了减少结构用钢量,甚至专门定购负公差钢管。所以在大同二电厂汽机房屋盖网架结构使用一年后就有几根压杆屈曲。
  ② 汽机房屋面的荷载工况变化幅度比较大,特别是屋面上设有通风风机时,动力荷载和设备检修荷载在设计中考虑比较粗糙或取值较小,所以杆件应力比取1.0虽然满足满应力设计原则,但结构极限承载能力上却大打折扣,隐藏了结构安全的隐患。
  4)主厂房汽机房网架结构由于与框架结构设备安装交插施工,几个施工单位间抢工期,抢场地,抢天车是必然的,所以网架公司绝大数采用高空散装方式施工。散装施工进行过程中节点垂直方向积累变形无法消除,每一台发电机组的结构单元长度90m左右,安装一半时,网架下弦标高距设计标高一般都会出现4~5cm的差异,但是由于汽机和辅助设备安装进度也很紧,一般网架公司得不到这个条件,很多杆件与球节点的螺栓孔对不好,有的螺栓扣没有拧到位就用电焊连接,焊缝往往不够,也就造成了先天的隐患。
  5)网架结构是超静定空间结构,但是在高烈度地震作用下,杆件的内力出现变号,拉杆变成压杆,肯定出现结构整体失稳,以及垮塌。在建成的网架工程中,一旦压杆出现屈曲,我们在现场还可以对杆件外包钢管来补强。但是,若发现拉杆截面应力超标时,就不好加固处理了,更换一个拉杆要关联到周围很多球节点。
  6)总体设计院在外委给网架工程公司全面实施时,应该落实土建设计(整体分析)与网架设计(局部分析)的衔接协调;对荷载应考虑安装和检修工况,并应留有一定的富裕量,杆件的应力比应该控制在0.85以内。杆件不应按满应力设计;支座节点应单独设计计算,不能采用中间节点的通用设计。
  2、对网架工程实施过程管理的建议:
  经电力规划设计总院调查评审提出建议
  1)网架的设计、加工、制造、安装必须严格遵守各方面的现行相关规范、规程的规定,工程参与者各司其职;
  2)确保主体结构设计与专项设计方案之间的相互协调、沟通,建立确认机制,加强这些机制执行与监督的力度,并应对接口图纸进行会审;
  3)网架施工之前必须对施工组织设计方案进行论证会审,并明确注意事项和必要的限制条件;
  4)施工中应严格执行审定的施工组织设计方案,坚决杜绝违规操作。
  5)屋顶交叉作业施工,必须先行论证,并在施工过程中采取临时支撑等一些控制变形的相应措施;
  6)网架安装过程中,螺栓与螺栓球的连接必须准确到位,并进行过程检查确认;
  7)安装过程中应加强网架整体挠度的检测,发现异常立即停工,认真查找原因,及时进行技术补救;
  8)支座与预埋件的连接位置要精确、强度要可靠;
  9)加强原材料的检验,防止不符合质量要求的螺栓、螺栓球和杆件用于网架结构工程中。

徐州先禾钢结构网架工程有限公司友情提醒广大客户,请选择正规网架厂家,注重产品质量,保护生命财产安全