摘要:以龙桥水电站工程实例,介绍了钢网结构在厂房中的应用。有效地解决了屋面建筑冬季施工困难问题,且结构造型美观、灵活、设计简单,施工方便,旨在为以后的水利水电工程厂房屋面结构设计的同行提供参考。 

  关键词:水电站;屋面结构;混凝土结构;钢网结构    

  0前言 

   钢网结构作为一种空间结构,它由许多杆件沿曲面或平面按一定要求组成的空间网状结构。早在上世纪40 年代就由德国首次成功运用于工业建筑上,此后在世界各地得到广泛发展,到目前已形成了很多定型体系,如单杆体系(Unistrut)、米罗(MERO)体系、菱形桁架体系(Diamond truss)、空间板体系(Space Deck)、以及诺得斯(NODUS)体系等。1964,我国上海师范学院球类馆的屋盖首次使用钢网结构,其后钢网结构在中国开始快速发展,在80 年代颁布了《钢网结构设计与施工规定》,这标志着我国钢网的设计和施工已达到较为新进的水平。直到上个世纪90年代以前,这种结构主要应用于大跨度的展览厅、车站候车大厅以及游泳馆等公共建筑。近10年来其应领域越来越广,已经遍及冶金、机械、以及石化等行业。相比而言,钢网结构虽在水利工程中的应用起步较早,但还不普遍,本文以某水电站主厂房顶部的钢网结构为背景,通过具体的施工案例,来进一步说明解钢网结构的优越性。 

  1工程概况 

   龙桥水电站位于湖北省利川市境内的郁江河段,为郁江干流湖北省境内三级水电梯级开发的第一级。龙桥水电枢纽工程建筑物主要由碾压砼双曲拱坝,右岸发电引水系统,岸边地面式发电厂房、升压变电站和左岸导流隧洞组成。大坝为对数螺旋线型碾压砼双曲拱坝,顶厚6m,底厚21.16m,厚高比0.23,坝顶海拔高程589m,最大设计坝高91m,坝顶弧长159.70m,坝顶中部共布置3个泄洪表孔,堰顶海拔高程575m,单孔净宽12m,弧门挡水高10m,最大泄洪流量3580m3/s。引水隧洞长2196.50m,设计引用流量67m3/s,设有直径10m的阻抗式调压井。厂房安装2台30MW的立式混流水轮发电机组,保证出电0.443万kw,年平均发电量为1.6938亿kw•h,水库枢纽工程为三等中型工程。大坝为恩施州首座已建碾压砼双曲拱坝,坝高名列国内目前在建同类型坝第五位,坝身泄洪单宽流量位居全国同类型拱坝首位 。 

   龙桥水电站工程总投资4.93亿元,设计工期为2年零5个月。2005年9月2日工程获得核准,2006年3月15日主体工程正式开工,2007年5月2日正式下闸蓄水,2007年5月 28 日首台机组发电,计划2007年 12 月工程竣工。 

   电站主厂房全长38.42m,宽17m,最大高度17.8m。厂房与开关站结合地形条件布置,左侧为安装间,与主机间同宽;主厂房内2台发电机组呈一字形排列。副厂房布置在主厂房后侧,厂区室外和主变场地面高程为474.00m。 

  2主厂房屋顶设计方案比选 

  2.1钢网架结构方案 

   钢网架结构的特点是,施工速度快,安装、维修容易,安全系数高,且可以解决机电安装急需保温的困难。钢网结构比较固定,一般由三部分组成:厂顶网架、网架支撑以及屋面。在材料选择上,屋面采用彩钢夹芯板,檩条采用冷弯溥壁型钢。 

  2.2钢筋混凝土方案 

   钢筋混凝土结构在工业与民用建筑中得到了广泛的应用,其主要优点是作为承重构件,其承载力大,施工技术成熟,抗震和防火等方面的性能优越。采用钢筋混凝士框架结构,稳定性可以得到很好的保证。钢筋混凝土梁板结构经历了两个阶段,传统的做法是薄腹梁或混凝土屋架加大型槽型板,后来随着预应力技术的成熟,一些技术公司开发出雁型板项目。值得强调的是屋面板要有保温层、防水以及保护等功能。 

  2.3房屋方案的比选 

   为了选出更为合理的方案,应对两种方案的优缺点进行比较。笔者根据工程 的实际情况,主要对以下几个方面做了比较: 

   施工工期:钢网结构施工工期短,且不受天气的影响,即使是在寒冷的冬季,混凝土无法施工的情况下,钢网仍可进行。且预制构件的施工周期长,养护周期长。 

   施工人员费用:钢网结构主要的构件厂家已经事先设计好了,电站只需要安装即可,施工时间大大缩短,因此,施工人员费用也比混凝土结构便宜。 

   工程造价:施工以及装修等工作完成以后,按实际的覆盖厂房面积,经过计算知钢网结构每平米综合造价比混凝土结构节省投资30-40%。 

   构件制作:钢网结构所需的钢管、螺栓、锥头、板材以及檩条等构件均由设计厂家按要求制作,只需将构件运到现场安装即可完成;混凝土结构方案需要浇注梁以及面板,为了保证预制施工质量,需要事先平整夯实及硬化预制场地[2],特别是在场地受限的水电站工程中,场地条件有时无法保证。 

   构件的安装:钢网结构需要事先清除构件铁锈、用油漆涂刷一遍,利用塔式起重机吊装的制定的位置,校正无误后将构件焊接为整体,安装檩条以及板材。完成焊接固定工作以后,进行细石混凝土天沟浇筑。施工非常方便,吊装工作量小。已成型的构件拆卸、加固及改造都非常容易。混凝土结构通常采用索吊,需要对缆索进行设计,确定缆索的跨度、主缆索以及后缆风绳钢丝绳的直径、数量、埋深以及主地锚规格尺寸等相关参数,还需要对受力进行计算。在试吊、地锚坑试拉以及每项工作验收合格之后,逐个吊装。在校正以及固定等工作完成后,用泡沫混凝士进行浇筑[1]。 

   影响因素:钢网架结构施工非常简便,吊装安全并且工作量小,混凝土用量也很少,质量控制比较容易。混凝土结构材料较多,施工受外界条件影响大,尤其冬季施工,加大了施工难度,混凝土质量因而不能很好的保障,准备工作量也非常大。 

   环境保护:钢网架结构不用产生粉尘的材料,对环境影响小。混凝土结构预制粱、板需要大量水泥、粉煤灰、外加剂等,这些均属于粉尘物料,对人体以及植被产生的危害都较大,施工中产生的噪音以及建筑垃圾对环境影响大,对人体健康也十分不利。 

   综合以上几个重要因素的考虑,钢网结构优势非常明显,同时为避免梁板吊装对机电安装造成较大的干扰,确保机组可以按期投产发电,设计最终采用空间钢网架结构方案。 

  3钢网结构设计 

  3.1 结构形式 

   钢网结构采用正放四角锥网架。支撑形式:下弦支承。节点类型:螺栓球节点网架。平面尺寸大小为38.42m×17m,投影面积共计653.14m2。 

  3.2 设计依据 

   荷载标准值:上弦恒载为0.30kN/ m2,上弦活载为0.50k N/ m2,下弦恒载为0.1kN/ m2,基本风压为0.35kN kN/ m2,抗雪压载荷为0.50k N/ m2。设防抗震烈度为6度,场地属于Ⅱ类建筑场地。 

  3.3 材料选择 

   选用Q235B钢制作的钢管,采用高频焊接钢管的焊接方式。螺栓螺钉选用40Cr钢,材质应符合《合金结构钢技术条件》GB3077要求,高强螺栓应满足《钢结构用高强度大六角头螺栓》GB1288的规定,其性能等级为10.90s。选用45号钢制作的螺栓球,材质应符合《优质碳素结构钢钢号及一般技术条件》GB699的规定。选用Q235B钢制作的封板锥头,钢管直径超过76时必须采用锥头,连接焊缝海外锥头的任意截面与连接的钢管强度要等同,厚度应保证变形以及强度的要求。选用Q235钢制作的套筒,杆件与截面等同。选用E43焊条对Q235钢与Q235钢进行焊接,选用E50焊条对Q235钢与45号钢进行焊接。采用75mm厚彩钢夹芯板作为屋面板材,采用冷弯薄壁型钢制作檩条。 

  3.4 加工技术要求 

   网架杆件需要对氧化皮以及锈蚀等污物进行清除后才可加工。网架的构件(包括杆件、螺栓球、、支座高强螺栓等)需要在专业的厂家定制,并且还得有检验合格证明,对于球以及螺栓的加工,则由厂家按机械行业标准选购或自行加工,但要满足受力和材质要求。焊缝需满足规定标准,构件焊接要达到同等强度,。 

  3.5 安装以及涂装技术 

   要求支承面预埋钢板必须保持水平,安装位置准确。,相邻支座高差不超过5mm,最高与最低高差不超过10mm,位移量不超过5mm。对所有构件须都需要作防锈处理,出厂前以及安装后都要涂灰色防锈漆。为了保证使用年限,涂装前需要进行除锈,除锈参考《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等极》GB8923中的Sa2等级,不能低于这个除锈等级。涂装时的环境湿度以及温度,除其产品的特殊要求外,相对湿度不应超过85%,温度应在5―38℃之间。不应在涂装构件的表面出现结露,涂装后4小时内应避免雨淋。荷载必须作用在节点(螺栓球)上,严禁在杆件上悬挂重物,杆件不承受横向荷载[3]。 

  4结论 

   综上所述,网架结构是一种比较理想的空间结构形式,它不仅被广泛应用于大型公共建筑中,而且在水利工程中有巨大的潜力,屋面整体具有较大的刚度和强度。网架结构的组成比较规则,施工起来方便。厂房屋顶采用钢网架结构比采用钢筋混凝土梁、板结构费用小,建设工期短,质量更易于控制,并且对周围环境影响小。因此,在水电站工程中应大力推广应用。目前,我院设计的罗坡坝、华山沟、龙背湾、小漩、白马泾等水电站或泵站,屋面均采用网架结构。