Design Process of the Large-Span Roof Truss of the Main Workshop of A Gas Turbine Power Plant

燃机电厂主厂房为燃机设备、汽机设备运行及检修的空间，运转层为大平台^[1]，同时厂房内配有重级吊车，故而厂房内的上部空间无法立柱，屋架结构多为大跨度钢结构，常见形式有实腹钢梁、钢网架、钢屋架等。倒三角管桁架为空间网架的一种，由于其具有良好的侧向稳定性和抗扭刚度，近年来在电厂主厂房中广泛使用 ^[2]。杨宏亮^[3]也曾指出倒三角管桁架比实腹钢梁更适用于大跨度厂房结构，且自重相对其他结构体系更轻巧。文章谈到的燃机电厂主厂房屋架，也选用倒三角管桁架的结构形式。

对于主厂房屋面而言，一般常采用混凝土结构重型屋面或轻型钢屋面两种形式。混凝土结构重型屋面一般以压型钢板为底模，在其上现浇钢筋混凝土板，这种形式的屋面自重大^[4]，有利于结构抗风，在强风荷载下不易破坏。而轻型屋面则为压型钢板复合保温卷材防水屋面，自重小，对于屋架结构的经济性优化更为有利，尤其在EPC工程总承包项目中，成本控制一直是非常关键的问题^[5]。

结构选型和荷载输入是影响管桁架结构设计的重要因素^[6]。文章基于某2×800 MW级燃机项目，对主厂房屋架的设计过程进行阐述，同时对重型屋面和轻型屋面两种形式的屋架结构，进行建模分析，对比两者的优劣，为电厂主厂房屋架的结构设计提供参考。

本工程位于广东省惠州市，以广东省某燃机电厂为例，主厂房屋架设计工作年限为50年。地面粗糙度为A类，基本风压0.85 kPa；抗震设防烈度为7度，地震设计基本加速度为0.10 g，地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类，抗震设防类别为乙类。主厂房屋架安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。

主厂房总高度39 m，屋架下弦杆中心标高定为33.500 m，屋架以下设有吊车梁，主厂房运行层楼面等；设有两套机组，如图1所示：1号机组纵向长度84.5 m，2号机组纵向长度96 m，横向跨度为46 m，选用倒三角管桁架的屋架型式，屋面设有光伏支架，为上人双坡屋面。由于两套机组布置、柱距一致，仅2号机组比1号机组多一跨，为方便起见，后文仅以1号机组为研究对象。

Figure 1.  Diagram of main workshop roofing

1）屋面恒荷载

屋面型式为压型钢板轻型屋面，其恒载为屋面的自重，取为1.0 kN/m²。而重型屋面板厚为100 mm，拟采用波高51 mm的压型钢板YX51-305-915为底模，恒载取为2.25 kN/m²。

2）屋面活荷载

主厂房屋面上设有光伏支架，为上人屋面，屋面活荷载为2.0 kN/m^2[7]；光伏支架荷载由厂家提供，为0.2 kN/m²；此外，屋面布有30台暖通风机，每台重800 kg，以上即为所有屋面活荷载。

考虑到建筑屋面面积较大，上人屋面的活荷载为2.0 kN/m²，而在设有光伏支架的区域不可能同时有人员活动，因此，为保证经济性，在有光伏的区域仅考虑0.5 kN/m²的活荷载，加上光伏支架荷载，即为不上人屋面的活荷载值；无光伏区域仍按上人屋面活荷载考虑，如图2所示，阴影部分为设置光伏区域。

Figure 2.  Zoning diagram of Unit 1 roofing live load

该工程主厂房屋架初步方案为采用混凝土重型屋面，由重型屋面恒荷载较大，导致重型屋面的屋架结构需要取用较大的矢高，方可设计得到合理的杆件截面。

对于此工程46 m跨度的厂房屋面，若选用重型屋面，经设计后，屋架的矢高需达5.15 m，下弦杆圆管截面尺寸 560×22（应力比0.864），上弦杆截面450×20（应力比0.794），单榀横向管桁架重量达56 t；这给桁架的整榀运输及吊装带来较大困难。因此，主厂房屋架改用轻型屋面方案：屋架矢高初定3.5 m，设6.5%排水坡度，两侧高度2.0 m，此外，还需保证杆件之间的夹角不小于30°，如图3所示。

Figure 3.  View of single transverse truss

本工程主厂房借助SAP2000结构分析软件进行设计，建立主厂房与屋架的整体模型，如图4所示。屋架与主厂房混凝土框架柱牛腿铰接连接，屋架支撑及腹杆之间按桁架杆件连接，释放端部弯矩；屋架材料均采用Q355B钢材。

Figure 4.  Overall model and top view of roof truss

轻型屋面方案，上弦杆用到273×14（钢管外径×壁厚）、325×14、325×16三种截面，下弦杆用到325×16、299×16、450×20三种截面，其他杆件截面包括108×6、133×8、152×8、194×8等，所有杆件应力比、挠度比均小于0.85，屋架跨中最大竖向位移，亦小于《钢结构设计规范》的要求^[8]，可见结构方案合理，强度、刚度满足要求，应力比云图如图5所示。

Figure 5.  Stress ratio cloud map of member

表1给出重型屋面与轻型屋面方案的相关参数对比，其中重量不包括屋面檩条质量。可见采用轻型屋面，屋架高度小，同等应力比水平下杆件截面小；最大单榀桁架质量为重型屋面屋架的53.5%，1号机组屋架总重仅为重型屋面屋架的48.2%，经济性、施工可行性上具有较大优势。实际上，当屋架横向跨度超过45 m时不宜使用重型屋面，如必须采用，则需合理布置结构方案，选择屋架的杆件截面型式，以减小屋架高度及自重。

本文对某燃机项目主厂房屋架结构，优化屋面活荷载取值及分布后，进行混凝土重型屋面和轻型钢屋面两种方案比选设计，建立不同的SAP2000分析模型，得到结论如下：

1）重型屋面相比于轻型屋面，其矢高更大，导致单榀桁架的重量和空间体积也较大，对于屋架的单榀运输和安装有更高的要求。

2）重型屋面由于自身重量大，以至于需要采用更大的杆件截面组成屋架结构，这同时增加屋架结构的自重，用钢量大。而采用轻型钢屋面，用钢量仅为重型屋面的48.2%。

由此可见，在设计基本风压较低的区域，对于此类跨度达46 m的屋架结构，采用重型屋面的形式是不合理的，采用轻型钢屋面屋架结构既可保证安全性，且经济性较好。