高地震烈度区大跨度的循环水管桁架结构分析

孙金勇

(福建省电力勘测设计院，福建 福州 350003)

1 工程概况

在某菲律宾电厂中，本期新建2×150 MW汽轮发电机组。而本期工程循环水系统预留二期接口，按4×150 MW规模设计，供水系统采用扩大单元制海水直流循环供水系统。本期厂址紧邻已有老电厂，受已有老电厂布置影响，4根φ2020 mm的循环水钢管需要跨越已有电厂净宽近30 m的排水渠。为不影响老厂排水，采用跨度36 m的钢桁架直接将循环水管跨越原排水渠。

2 结构布置

在该循环水管桁架结构方案中，主要有两个方面较为特殊。第一，受老厂区排水渠布置及本期电厂排水渠布置的影响，为保证管道布置的空间，将桁架结构的平面布置调整为平行四边形平面，而非常规的矩形平面。第二，循环水管桁架左侧位于一狭小的三角区域范围内，在结构方案设计时，将桁架左侧设为滚轴支座，以减小该侧基础尺寸，保证基础和管道的布置空间；同时，循环水管需要在桁架上就开始转弯，为腾出管道的布置空间，桁架立面中需取消两端的直腹杆，避免端部的直腹杆与循环水管弯头相碰。

循环水管桁架的底面(下弦平面)布置及外形尺寸见图1，循环水管桁架的横截面及管道布置见图2。

循环水管桁架结构是由三榀桁架组成的联合桁架结构，每榀桁架的结构形式见图3。除了三榀桁架外，为满足循环水管支吊架的安装需要，布置结构横梁GL－1，循环水管的滑动支吊架或导向支吊架均布置在GL－1上；此外，为了保证三榀平面钢桁架在平面外的刚度和稳定、减小弦杆在桁架平面外的计算长度、并承受地震作用等侧向荷载，在上弦和下弦平面上分别设置水平支撑。

图1 桁架底面布置图

图2 桁架横截面及管道布置图

图3 单榀桁架立面图

3 荷载取值

荷载主要包括管架及检修平台自重、正常运行或事故关阀时作用于支吊点上的荷载、检修平台活荷载、风荷载、地震作用等。其中，作用于支吊点上的荷载由工艺专业整体建模分析后提供，包括管道自重、循环水管内水重、正常运行或事故关阀时水流运动产生的附加力。由于作用于支吊点上的荷载分为正常运行工况和事故关阀工况，故在钢桁架结构的承载能力极限状态设计时，应按基本组合和偶然组合分别计算。该厂址位于海边，地面粗糙度按照A类考虑，基本风压为1.05 kN/m2；在风荷载计算时，按照《火力发电厂土建结构设计技术规程》附录H分别计算管道的横向风荷载和纵向风荷载。

4 结构计算分析

传统的桁架计算模型为桁架节点按铰接考虑，不考虑节点处的弯矩和剪力。铰接节点与实际桁架节点受力情况不同，实际桁架杆件不仅有轴力，还有弯矩和剪力，后者被称为次内力，由次内力引起的应力被称为次应力。在钢桁架腹杆与上弦、下弦之间的连接中，同一节点间各杆之间不产生相对转动，节点接近于刚性节点，桁架节点与理想桁架铰接节点的假定不完全一致。由此，考虑到次应力对桁架的影响，同时，由于场地的限制，该桁架结构的平面布置为倾斜结构，循环水管钢桁架是一个复杂的空间结构，故按照节点为铰接的单榀桁架计算是显然不合适的。在桁架设计过程中，运用STAAD.Pro V8i 结构分析软件，通过建立循环水管桁架整体计算模型，对整个结构进行空间分析计算，进而完成结构的安全校核和抗震分析。

5 结构设计与实现

5.1 竖向地震作用的简化计算

循环水管桁架结构抗震设防烈度为9度，设计基本地震加速度值为0.40 g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别Ⅲ类。其中，在地震作用计算时，由于该循环水管桁架跨度36 m，根据《建筑抗震设计规范》和《火力发电厂土建结构设计技术规程》相关章节规定，属大跨度结构，不仅应计算水平地震作用，还应考虑竖向地震作用对循环水管桁架的影响。由于在STAAD中，并不能直接输入竖向地震荷载，只能根据各个结构的实际情况手动加入竖向地震荷载。如果简单按照《建筑抗震设计规范》，竖向地震作用标准值取构件重力荷载代表值的20%，国内外文章结果表明，桁架各杆件的地震力放大系数很不相同，故采用一个总的地震力放大系数并不能全面反映桁架结构的受力特性。

要分析循环水管桁架的竖向地震作用，可采用大型通用软件ANSYS、SAP2000等软件进行建模计算。由于桁架结构的特殊性，很多专家学者做了大量研究工作，并给出了桁架结构竖向地震内力的简化计算方法，且计算结果是满足工程运用要求的。在张毅刚所作《网架结构在竖向地震作用下的实用分析方法》论文中提供了网架结构在竖向地震作用下的实用设计方法，在此基础上，在金联社所作《超大跨度输煤栈桥的竖向地震及温度计算》一文中针对大跨度桁架列出了更加详细的计算方法：

表1 ρmin、R建议值

根据上述方法，可得到竖向地震作用下杆件内力系数，见图4，其具体计算方法如下：

在求得竖向地震内力后，考虑与静内力、水平地震作用的最不利组合，则可得到杆件总内力，进而进行杆件截面设计。

图4 竖向地震系数δ(9度、0.40 g)

5.2 循环水管挠度控制

本工程取水为海水，循环水管内表面设有防腐涂料；循环水管跨排水渠段为露天布置，管道外表面同样涂有油漆。循环水管通过支吊架支承于桁架上，在桁架结构产生变形的过程中，循环水管势必会与桁架一起协调变形。当循环水管产生向下的变形时，循环水管内外表面都将产生弯曲应力，当变形超过一定限值时，管道表面的涂层体系将受到破坏，影响管道安全。由此，在桁架结构挠度容许值范围内的变形，是否会影响循环水管的正常使用，这成为循环水管通过桁架跨越排水渠的布置方案是否可行的重要影响因素。所以，循环水管挠度的控制成为必须解决的问题。

对于自承式钢管跨越结构，管道的挠度验算可按照相应计算方法完成。但是，本工程中的循环水管通过支吊架支承于桁架横梁上，与桁架是协调变形的，所以按照自承式钢管核算其挠度显然是不合适的。而在桁架上的单根循环水管共设有七个支吊架，管道在支架上为连续布置，且与桁架是协调变形的，所以无法直接计算管道的挠度。为此，通过分析不难发现，循环水管的变形主要由管道结构自重、管内水重、正常运行或事故关阀时的水流力、桁架结构自重这四部分产生。为了减小管道的变形，设计中要求钢桁架制作时应预先起拱，起拱值为桁架结构自重产生的变形值。因此，桁架结构整体计算得到的变形减去桁架结构自重产生的变形，即为管道的变形。

通过整体建模分析计算，桁架结构在正常运行工况和事故关阀工况下的最大竖向位移分别为49 mm和57 mm，因此桁架结构的最大位移为57 mm，而桁架结构自重产生的最大竖向位移为11 mm，故减去桁架的预先起拱值后，管道和桁架的最大竖向变形为46 mm。对于桁架结构自身来说，《钢结构设计规范》及《火力发电厂土建结构设计技术规程》上均有规定，见表2，桁架结构的允许挠度值取为l/500(l为构件的计算跨度)，即为72 mm，因此，桁架结构本身的变形是满足规范的。

对于管道挠度验算来说，其允许挠度值的确定是关键。如表2所示，关于钢管的允许变形值，《给水排水工程管道结构设计规范》或《火力发电厂水工设计规范》上均有相应规定，变形值均按照管径的百分比这一绝对值控制，且其变形指的是管道在垂直方向直径的变化。在本工程中，循环水管为一跨越结构，其变形对管道的影响显然与跨度有关，所以如果按照管径的百分比这一绝对值控制，是不合理的；而且管周没有荷载作用，其垂直方向直径的变化基本是可以忽略的。鉴于这种情况，笔者查阅了大量资料后，循环水管的允许挠度值参照《自承式给水钢管跨越结构设计规程》(CECS 214：2006)中关于管道挠度验算的相关规定，取为l/250，即为144 mm，故管道的挠度验算也是满足要求的。

表2 桁架及钢管变形允许值

5.3 循环水管桁架几何不变性的实现

循环水管桁架是由三榀桁架组成的联合桁架。在单榀桁架平面内，为几何不变体系。但是对于整个结构来说，从横截面来看，见图2，由于单榀桁架内的杆件均为铰接连接，在侧向力的作用下，将导致联合桁架为几何可变体系，必须采取相应措施使整个结构为几何不变体系。在本工程中，如果将简单桁架中的腹杆与弦杆之间的连接做成刚接，是可以满足整个结构的几何不变的，但是，由循环水管支承横梁、弦杆、腹杆组成的节点构造将十分复杂，对施工要求很高，难以保证节点施工质量，这将增加结构安全风险。为了保证结构的几何不变性并考虑实施的可行性，结构设计过程中，通过在图1中所示桁架的中间(A－A截面处)及两端(B－B截面处)这三处横截面的角部加设斜撑的办法，保证了整个结构的稳定性。

为了保证结构的几何不变且易于实施，采用在桁架横截面角部加设斜撑的办法来代替桁架中腹杆与弦杆的刚接，但这两者之间并不能完全等同。若采用桁架腹杆与弦杆刚接的做法，则横截面为一钢框架结构，受力明显；采用设斜撑的办法后，其结构简图见图5。以图中左下角节点为例，不难发现，钢框架中的刚接节点O，变为由OA、OB、AB这三根链杆通过O、A、B三个铰构成的几何不变体系，承重钢梁的支座从O节点移至A节点，承重钢梁的跨度由OD段长度变为AC段长度，杆件的跨度变小，杆件的内力也相应减小。因此，采用设斜撑的做法，是满足结构安全要求的。

图5 设斜撑桁架横截面结构简图

6 结语

通常情况下，循环水管管径较大且是埋地布置，而本工程为海外工程，存在一些特殊性，受厂区布置的影响，4根φ2020 mm的循环水钢管采用跨度36 m的钢桁架直接跨越排水渠。而在工程实际中，由于布置空间十分狭小而严重影响工艺管道布置的情况下，结构专业将管架的平面布置调整为倾斜布置，取消单榀桁架两端的直腹杆，并采用下弦受力布置方案，通过STAAD整体建模分析计算，与工艺专业多次反复配合后，在满足工艺循环水管布置需要的前提下保证了循环水管桁架结构及管道本身的安全可靠，切实解决了工程实际中遇到的难题，可供类似工程参考。

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