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【摘 要】随着社会经济和技术的发展，钢结构在电厂中的应用越来越广泛。本文从结构选
型与布置、预估截面、结构分析、工程判定、构件设计和节点设计等几个方面阐述了钢结构
厂房的设计思路。
【关键词】电厂 钢结构 厂房 设计
1 前言
随着社会经济和技术的发展，国内电力建设获得了快速发展，火电机组容量不断增大，同时国外火电项目不断增多，钢结构在电厂中的应用越来越广泛，本文从结构选型与布置、预估截面、结构分析、工程判定、构件设计等各方面阐述了钢结构厂房设计的要点。
2 结构选型与布置
在钢结构设计的整个过程中应强调的是“概念设计”，它在结构选型与布置阶段尤其重要。对一些难以作出精确分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。
运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。
林同炎教授在《结构概念和体系》一书中介绍了用整体概念来规划结构方案的方法，以及结构总体系和分体系间的相互力学关系和简化近似设计方法。电厂中的钢结构主要是框架、框架-支撑、桁架、网架等结构形式，其理论与技术大都比较成熟。结构选型时，应考虑它们的不同特点。例如，建筑和工艺允许时，在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。
地震作用对于框架柱的影响，主要取决于框架柱轴压比、长细比及柱的截面尺寸等，当承受轴压比较小时，柱的延性（抗震性能） 较大， 具有充分的变形能力，反之，柱的延性较小。另外， 在结构构件的塑性阶段， 结构的某些部位将会屈服， 并形成具有一定转动能力的塑性铰，在设计框架时，将框架设计成强柱弱梁体系，使结构倒塌时，塑性铰出现在梁上，而柱子除柱脚外，保持为弹性体系，以使框架具有较大的吸能能力。为此，为保证塑性铰出现在梁端，框架柱的截面塑性抵抗矩应大于梁截面塑性抵抗矩。
厂房抗震设计时，框架结构通常要布置柱间支撑，支撑在竖向宜连续布置， 使结构的受力和刚度变化均匀， 支撑的形式和布置在竖向宜一致，并延伸至基础，以便将水平力传至基础。支撑的抗侧力与长细比有关，短粗杆件在地震作用下的塑性铰转动和残余挠度都小于细长杆件，所以产生的弯矩较小，抗震性能较好。因此，支撑杆件的长细比应小于规范允许长细比。
3 预估截面
结构布置完成后，需对构件截面作初步估算，主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的初选。钢梁可选择轧制或焊接H型钢截面、工字钢等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的l/15～1/30之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按限值（为梁受压翼缘的自由长度，为梁受压翼缘的宽度）确定时，可避免钢梁的整体稳定的复杂计算。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造要求预估。柱截面按长细比预估，长细比通常为50～150。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管、H型钢截面或箱型截面等。对于不同的结构类型，规范中对截面的构造要求有很大的不同。如钢结构所特有的板件的局部稳定问题，在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。除此之外，构件截面形式的选择没有固定的要求，结构工程师应根据构件的受力情况，合理的选择安全经济美观的截面。
4 结构分析
目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析，特殊情况时考虑P-△效应。一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性性能，这为更精确的分析结构提供了条件。电厂中的钢结构分析一般采用PKPM结构设计软件中的STS钢结构设计模块或者STAAD Pro软件。并不是所有的结构都需要使用软件，典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形。简单结构通过手算进行分析。复杂结构才需要运用程序建模并做详细的结构分析。
厂房钢结构进行抗震分析时，需要控制结构的变形，有以下一些方法：
1）减小梁的变形，但应注意，一旦加强梁的刚度，塑性铰可能移至柱上；
2）减小节点区的变形，可通过改用腹板较厚的柱或局部加固节点来实现；
3）加强支撑的侧向刚度，可通过增加支撑数量或增大支撑的截面来实现；
4）增加柱子数量，因为结构侧移大小与抵抗层间剪力的柱子数量成反比，且增加柱子数量，可减小梁的跨度，从而增加梁的刚度。
5 工程判定
工程软件给设计带来了很多便利，提高了工作效率，但是软件分析完之后，工程师还应对软件输出的结果做“工程判定”，判断软件分析结果的合理性。比如，评估各向周期、总剪力、变形特征等。根据“工程判定”选择修改模型重新分析，还是修正计算结果。不同的软件会有不同的适用条件。此外，工程设计中的计算和精确的力学计算本身常有一定距离，为了获得实用的设计方法，有时会用误差较大的假定，但对这种误差，会通过“适用条件、概念及构造”的方式来保证结构的安全。钢结构设计中，“适用条件、概念及构造”是比定量计算更重要的内容。工程师不应该过分信任与依赖计算软件。注重概念设计和工程判定是避免误用计算软件造成结构破坏而引起灾难的重要方法。
6 构件设计
构件的设计首先是材料的选择，比较常用的是Q235和Q345。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。当强度起控制作用时，可选择Q345，稳定控制时，宜使用Q235。
当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能，但是利用软件在做构件（主要是柱）的截面验算时，计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定。所以，对于节点连接情况复杂或变截面的构件，我们应该逐个检查，对于不合理的應该人工修改。
截面验算后，通常会遇到某些构件预估的截面不满足规范要求，就需要加大构件截面。但是加大截面应该分以下两种情况区别对待：
（1） 强度不满足时，通常加大组成截面的板件厚度，其中，抗弯强度不满足加大翼缘厚度，抗剪强度不满足加大腹板厚度。
（2） 变形超限时，通常不应加大板件厚度而应考虑加大截面的高度，否则会很不经济。
7 节点设计
连接节点的设计是钢结构设计中的重要内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定。常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免。按传力特性不同，节点分刚接、铰接和半刚接。常用的参考书推荐有丰富的节点做法及计算公式。连接的不同对结构影响甚大。比如，有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题，但会产生较大的整体转动，不符合结构分析中的
假定，会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果。连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法。设计手册中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用，比较方便，也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成。
抗震设计时，根据规范的要求，节点连接的承载力设计值不应小于其连接构件的承载力设计值。
8 结语
综上所述，在电厂钢结构厂房设计时，应该重视概念设计，从结构选型与布置开始，到最后的节点设计，把握好每一个环节，只有这样，才能设计出经济合理、安全适用的结构。
参考文献
[1]《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）
[2]《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）
[3]《火力发电厂土建结构设计技术规程》（DL 5022-2012）
[4]《钢结构设计手册》（上、下册，第三版）
[5]《钢结构连接节点设计手册》（第二版）
[6]《结构概念与体系》（第二版）
型与布置、预估截面、结构分析、工程判定、构件设计和节点设计等几个方面阐述了钢结构
厂房的设计思路。
【关键词】电厂 钢结构 厂房 设计
1 前言
随着社会经济和技术的发展，国内电力建设获得了快速发展，火电机组容量不断增大，同时国外火电项目不断增多，钢结构在电厂中的应用越来越广泛，本文从结构选型与布置、预估截面、结构分析、工程判定、构件设计等各方面阐述了钢结构厂房设计的要点。
2 结构选型与布置
在钢结构设计的整个过程中应强调的是“概念设计”，它在结构选型与布置阶段尤其重要。对一些难以作出精确分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系之间的力学关系、破坏机理、震害和工程经验所获得的设计思想，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。
运用概念设计可以在早期迅速、有效地进行构思、比较与选择。所得结构方案往往易于手算、概念清晰、定性正确，并可避免结构分析阶段不必要的繁琐运算。同时，它也是判断计算机内力分析输出数据可靠与否的主要依据。
林同炎教授在《结构概念和体系》一书中介绍了用整体概念来规划结构方案的方法，以及结构总体系和分体系间的相互力学关系和简化近似设计方法。电厂中的钢结构主要是框架、框架-支撑、桁架、网架等结构形式，其理论与技术大都比较成熟。结构选型时，应考虑它们的不同特点。例如，建筑和工艺允许时，在框架中布置支撑会比简单的节点刚接的框架有更好的经济性。
地震作用对于框架柱的影响，主要取决于框架柱轴压比、长细比及柱的截面尺寸等，当承受轴压比较小时，柱的延性（抗震性能） 较大， 具有充分的变形能力，反之，柱的延性较小。另外， 在结构构件的塑性阶段， 结构的某些部位将会屈服， 并形成具有一定转动能力的塑性铰，在设计框架时，将框架设计成强柱弱梁体系，使结构倒塌时，塑性铰出现在梁上，而柱子除柱脚外，保持为弹性体系，以使框架具有较大的吸能能力。为此，为保证塑性铰出现在梁端，框架柱的截面塑性抵抗矩应大于梁截面塑性抵抗矩。
厂房抗震设计时，框架结构通常要布置柱间支撑，支撑在竖向宜连续布置， 使结构的受力和刚度变化均匀， 支撑的形式和布置在竖向宜一致，并延伸至基础，以便将水平力传至基础。支撑的抗侧力与长细比有关，短粗杆件在地震作用下的塑性铰转动和残余挠度都小于细长杆件，所以产生的弯矩较小，抗震性能较好。因此，支撑杆件的长细比应小于规范允许长细比。
3 预估截面
结构布置完成后，需对构件截面作初步估算，主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的初选。钢梁可选择轧制或焊接H型钢截面、工字钢等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的l/15～1/30之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按限值（为梁受压翼缘的自由长度，为梁受压翼缘的宽度）确定时，可避免钢梁的整体稳定的复杂计算。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造要求预估。柱截面按长细比预估，长细比通常为50～150。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同，可选择钢管、H型钢截面或箱型截面等。对于不同的结构类型，规范中对截面的构造要求有很大的不同。如钢结构所特有的板件的局部稳定问题，在普钢规范和轻钢规范中的限值有很大的区别。除此之外，构件截面形式的选择没有固定的要求，结构工程师应根据构件的受力情况，合理的选择安全经济美观的截面。
4 结构分析
目前钢结构实际设计中，结构分析通常为线弹性分析，特殊情况时考虑P-△效应。一些有限元软件可以部分考虑几何非线性及钢材的弹塑性性能，这为更精确的分析结构提供了条件。电厂中的钢结构分析一般采用PKPM结构设计软件中的STS钢结构设计模块或者STAAD Pro软件。并不是所有的结构都需要使用软件，典型结构可查力学手册之类的工具书直接获得内力和变形。简单结构通过手算进行分析。复杂结构才需要运用程序建模并做详细的结构分析。
厂房钢结构进行抗震分析时，需要控制结构的变形，有以下一些方法：
1）减小梁的变形，但应注意，一旦加强梁的刚度，塑性铰可能移至柱上；
2）减小节点区的变形，可通过改用腹板较厚的柱或局部加固节点来实现；
3）加强支撑的侧向刚度，可通过增加支撑数量或增大支撑的截面来实现；
4）增加柱子数量，因为结构侧移大小与抵抗层间剪力的柱子数量成反比，且增加柱子数量，可减小梁的跨度，从而增加梁的刚度。
5 工程判定
工程软件给设计带来了很多便利，提高了工作效率，但是软件分析完之后，工程师还应对软件输出的结果做“工程判定”，判断软件分析结果的合理性。比如，评估各向周期、总剪力、变形特征等。根据“工程判定”选择修改模型重新分析，还是修正计算结果。不同的软件会有不同的适用条件。此外，工程设计中的计算和精确的力学计算本身常有一定距离，为了获得实用的设计方法，有时会用误差较大的假定，但对这种误差，会通过“适用条件、概念及构造”的方式来保证结构的安全。钢结构设计中，“适用条件、概念及构造”是比定量计算更重要的内容。工程师不应该过分信任与依赖计算软件。注重概念设计和工程判定是避免误用计算软件造成结构破坏而引起灾难的重要方法。
6 构件设计
构件的设计首先是材料的选择，比较常用的是Q235和Q345。通常主结构使用单一钢种以便于工程管理。经济考虑，也可以选择不同强度钢材的组合截面。当强度起控制作用时，可选择Q345，稳定控制时，宜使用Q235。
当前的结构软件，都提供截面验算的后处理功能，但是利用软件在做构件（主要是柱）的截面验算时，计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定。所以，对于节点连接情况复杂或变截面的构件，我们应该逐个检查，对于不合理的應该人工修改。
截面验算后，通常会遇到某些构件预估的截面不满足规范要求，就需要加大构件截面。但是加大截面应该分以下两种情况区别对待：
（1） 强度不满足时，通常加大组成截面的板件厚度，其中，抗弯强度不满足加大翼缘厚度，抗剪强度不满足加大腹板厚度。
（2） 变形超限时，通常不应加大板件厚度而应考虑加大截面的高度，否则会很不经济。
7 节点设计
连接节点的设计是钢结构设计中的重要内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形式有充分思考与确定。常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致，这必须避免。按传力特性不同，节点分刚接、铰接和半刚接。常用的参考书推荐有丰富的节点做法及计算公式。连接的不同对结构影响甚大。比如，有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题，但会产生较大的整体转动，不符合结构分析中的
假定，会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果。连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法。设计手册中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用，比较方便，也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成。
抗震设计时，根据规范的要求，节点连接的承载力设计值不应小于其连接构件的承载力设计值。
8 结语
综上所述，在电厂钢结构厂房设计时，应该重视概念设计，从结构选型与布置开始，到最后的节点设计，把握好每一个环节，只有这样，才能设计出经济合理、安全适用的结构。
参考文献
[1]《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）
[2]《钢结构设计规范》（GB 50017-2003）
[3]《火力发电厂土建结构设计技术规程》（DL 5022-2012）
[4]《钢结构设计手册》（上、下册，第三版）
[5]《钢结构连接节点设计手册》（第二版）
[6]《结构概念与体系》（第二版）