丰满水电站一期厂房钢屋架加固方案简析

丰满发电厂是我国第一座大型水电站，一期厂房厂内装有8台水轮发电机组，总装机容量552.5MW，工程始建于1937年，1943年第一台机组发电。上世纪80年代后，发电厂房进行了二、三期的扩建，电站总装机容量已达1002.5MW。
丰满一期厂房主体工程为钢筋混凝土——型钢结构，其下部结构为钢筋混凝土大体积结构；上部结构为钢骨混凝土与钢桁架形成的框架结构，吊车柱为型钢骨架外包混凝土。电站一期工程所用屋架材料系日本上世纪30年代轧制产品。由于钢材材质较差、钢材锈蚀，一期厂房钢屋架下弦杆已经出现断裂现象。为保证丰满一期厂房正常运行，针对原厂房钢屋架进行内力分析和屋架型钢承载力复核计算，并提出加固处理措施。
1 屋面荷载及计算参数
作用在屋架上的荷载分为永久荷载和可变荷载两大类。根据《丰满发电厂主厂房屋面取样竣工报告》得知一期厂房屋面结构为刚性防水屋面，无保温措施。原屋面有180mm的水泥砂浆层和85mm的混凝土层，从上到下各层材料及厚度见下表1
层序 结构物 厚度（mm） 备注
上1层 水泥砂浆PVC防水 28
上2层 水泥砂浆丁腈胶片防水 27
上3层 水泥砂浆保护层 30
上4层 水泥砂浆层 95 无沥青防潮层
上5层 混凝土层（钻取部分） 85 屋面现浇混凝土板
表1 原一期厂房屋面结构






厂房屋面结构可变荷载包括人群荷载、雪荷载、积灰荷载和风荷载，雪荷载Sk=Ur•S0，风荷载 。由于厂房屋面没有挡风板且屋面的坡度α≤250，厂房本身及其邻近建筑的排灰量比较小，按照烧结厂通廊及其他车间类别取其标准值为0.3 kN/m2，组合值系数Ψc取0.9，频遇值系数Ψf取0.9，准永久值系数Ψq取0.9；最终得到积“灰荷载值为：0.2kN/m2。
结构承载力计算根据国家标准《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)、《钢结构设计规范》（GB50017-2003）进行计算。该屋面永久荷载标准值为6.58 KN/m2，可变荷载为1.2 KN/m2。则屋架的最不利荷载组合为1.2×永久荷载＋1.4×可变荷载。
2 钢屋架强度及稳定性分析
在计算钢屋架杆件内力时，假定各节点均为铰结点，实际上用焊缝连接的各个节点具有一定的刚度，在屋架杆件中引起一定的次应力，根据理论和实验分析，由角钢组成的普通钢屋架，杆件的线刚度较小，次应力对承载力的影响很小，在计算时，不考虑次应力的影响。建模时考虑屋面荷载合理分配及钢屋架横向支撑和托架的作用，结合屋面下部排架柱传递的横向荷载，其计算简图见图1：
图1 丰满一期厂房原钢屋架计算简图
根据《钢结构设计规范》（GB50017-2003）受压杆件的允许长细比为150，受拉杆件的允许长细比为350。杆件内力计算结果见图2：
图2 丰满一期厂房原钢屋架内力图（单位：KN）
经计算，该钢屋架上弦杆和下弦杆稳定性、长细比能满足要求，但其构件强度不满足设计要求。下弦杆最大应力值为226 KN/m2，远远超过杆件的允许承载力。所以从理论上讲，结构在该处发生断裂是很正常的。上弦杆最大应力值为200KN/m2，非常接近强度允许值，由于钢材材质很差、年久锈蚀等原因，杆件是否能满足强度要求，有待试验验证。


3 结构复核验算结论及建议
经复核验算，有如下结论：
（1）钢屋架腹杆、竖杆的强度、稳定性、长细比都满足钢结构规范的要求。
（2）钢屋架上弦杆、下弦杆的稳定性和长细比满足钢结构规范要求，但是其强度指标不满足规范要求。
鉴于以上情况，该厂房钢屋架结构需要加固补强。
4 结构加固建议及复核计算结论
（1）因原钢屋架材质冷弯试验指标不合格，抗冲击功指标较低，材料呈脆性老化，在冲击荷载作用下容易脆断，虽考虑对一期厂房屋面采取了减载措施，但同步进行排架加固及屋面改造的干扰较大，故考虑加固排架体系，即对一期厂房钢屋架上、下游支撑小柱采用对穿锚索的方法，降低下弦杆的轴向应力，以防止在屋架出现脆性断裂引起屋面坍塌。
（2）屋面减载。根据《丰满发电厂主厂房屋面取样竣工报告》中芯样的资料可知，原一期厂房屋面结构为刚性防水屋面，无保温措施。现将原厂房屋面的上1层～上4层清除掉，在屋面混凝土基层铺设新的防水层，改造后的屋面厚度276 mm，具体做法如下表2：
表2 改造后一期厂房屋面结构
层序 结构物 厚度（mm） 备注
上1层 水泥砂浆保护层抹平 20
上2层 SBS改性沥青防水层 4
上3层 石灰砂浆找平层 10
上4层 XPS聚苯乙烯挤塑板保温层 100
上5层 SBS改性沥青隔气层 2
上6层 水泥砂浆找平层 20
上7层 混凝土层（钻取部分） 85 原屋面现浇混凝土板

（3）经计算，减载补强后钢屋架屋面永久荷载标准值降低为5.19 KN/m2，重新按照上述方法进行计算，得到其结构承载力满足规范要求。



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文章介绍结构计算偏多，而如何加固及措施偏少，没有特点，而作为屋架结构分析是简单的结构计算问题。应着重加固方案简析来写。