摘 要：火力發電廠主廠房是電廠的核心，其結構形式的布置直接決定整個電廠的安全性和經濟性。受汶川地震的影響，以及新版抗規針對多層和高層單跨框架的使用提出了限定性的要求，故電廠主廠房使用單跨框排架結構時必須慎重。

　　關鍵字：結構布置,技術比選,工程量分析

　　1 概述

　　主廠房布置模式由先前的常規三列式(汽機房—除氧間—煤倉間)布置方案發展為兩列式布置方案(汽機房—除氧煤倉間合并布置)和側煤倉方案，其中側煤倉方案又分為(汽機房—除氧間+側煤倉)和(單排架+側煤倉)方案。主廠房布置模式的多樣化，導致主廠房結構必須采取靈活多變的結構體系。由于結構專業受制于工藝布置的原因，很多結構方案一開始構思就受到其他專業的限制，所以結構專業處理問題時遇到了很大的挑戰性。

　　兩列式布置方案(汽機房—除氧煤倉間合并布置)就工藝本身來說確實有其優越性，但是由于除氧煤倉間合并布置，結構相應減少了一排框架柱，從一定程度上講由于減少了一排抗側力構件而降低了結構的安全儲備。

　　本文目的是論證在保留工藝專業的“除氧煤倉間合并布置”的主廠房布置方案的前提下，提出在爐前平臺鍋爐側增設D排混凝土柱，同時與除氧煤倉間框架形成剛接雙跨框架的結構設想。并將此方案與常規的三列式(常規雙框架)和兩列式(常規單框架)進行技術經濟比對，論證其可行性。同時通過結構計算確定D排柱和框架梁的截面，推薦出優化合理的主廠房結構設計方案。

　　2 工程實例

　　某電廠，8度(0.20g), II類場地，場地特征周期：0.35s, 基本風壓：0.45kN/m²(50年一遇);且為新建電廠，建設規模為2×200MW超高壓雙抽凝汽供熱發電機組，配2×670t/h超高壓煤粉爐，同步配套建設脫硫裝置，預留脫硝，并留有擴建條件。

　　3 主廠房結構布置方案

　　3.1工藝布置

　　根據工藝專業布置的要求，本期主廠房按二機二爐燃煤機組進行設計，裝機容量2×200MW，主廠房布局為汽機房—除氧煤倉間—鍋爐房。主廠房縱向機組單元中間設置變形縫插入距1.2m，雙柱雙屋梁。從汽機房立面看，左為主廠房固定端，右為擴建端。

　　3.2結構選型：

　　本工程采用鋼筋混凝土結構。由于工藝布置已經確定采用除氧煤倉間合并布置的方案，因此我們重點考慮在不違反現有規范和保證結構安全度的前提下策劃布置結構體系。

　　3.2.1 現有相關結構規范和規定的要求：

　　(1)10版《建筑抗震設計規范》6.1.5條明確提出“甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑，不應采用單跨框架結構;高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結構”。

　　(2)12版《火土規》11.1.8條規定“發電廠多層建(構)筑物不宜采用單跨框架結構，當采用單跨框架結構時，應采取提高結構安全度的可靠措施”，同時對于爐前平臺的結構體系，做了“主廠房與鍋爐本體間的爐前(側)平臺結構，運轉層以上應采用輕型結構，并允許采用滑動或滾動支座連接，支座構造應滿足防震縫寬度的要求。”的具體規定。

　　(3)《高層建筑混凝土結構技術規程》JGJ 3-2010 6.1.2條抗

　　震設計的框架結構不應采用單框架。(此處高層建筑指10層及10層以上或房屋高度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高層民用建筑。電力行業建筑不作為高層建筑范疇。)

　　(4)2012年11月20日在杭州召開了電規協會土建專委會關于“主廠房結構體系研討會”，會議上達成了統一的認識，歸納為“火電廠主廠房結構屬多層混凝土框排架結構”和“主廠房結構不宜采用單跨框架結構，若采用須有一定的措施”的意見。

　　3.2.2 本工程的特點：

　　由于本地區設防烈度為8度(0.2g)，同時又屬為超過20萬人口

　　城市供熱的熱電站，主廠房屬于重點設防類建筑，應按9度采取抗震措施。本工程由于地震烈度比較高，地震作用較大，同時受工藝專業所限，采用除氧煤倉間合并布置的方案的限制，因此必須采取嚴格的抗震措施。

　　本工程另有一個特點，就是鍋爐鋼柱的柱距均為9米，同時在工藝布置上可保證框架柱的縱向軸線與鍋爐鋼柱的軸線相應對齊。

　　3.2.3 主廠房結構體系設想：

　　通過分析，我們發現，如果在爐前平臺鍋爐側增設D排混凝土柱，

　　與除氧煤倉間框架形成剛接雙跨框架，可從結構概念上就可以滿足《抗規》的要求，也可以保證除氧煤倉間框架合并布置的合理性。同時由于框架柱的縱向軸線與鍋爐鋼柱的軸線相應對齊，爐前熱機專業的煤粉管和風管的布置幾乎不受影響。因此我們針對此設想作了如下的結構方案。

　　由于新疆地區屬寒冷氣候區，一般爐前平臺和鍋爐都要求設置封閉要求，因此考慮將D列柱通過爐前平臺樓層梁和爐前高封屋面梁進行剛接以形成框架結構，同時考慮到兩層框架梁過于薄弱，因此在兩層樓面間再設置一層框架梁。這樣做的目的有以下幾點：

　　(1)通過設置D列柱使爐前平臺與鍋爐鋼柱結構脫開，保證混凝土結構和鋼結構這兩種體系互不關聯，各自形成獨立完整的體系，受力清晰，體系明確，較為符合抗規和土規的設計要求。

　　(2)由于增設D列柱，使整個主廠房框架結構由單跨變為雙跨，抗側力構件相應增加，結構耗能節點相應增多，使結構抗震防線的可靠性得到提高。

　　(3)通過剛接橫梁的聯系，可使D列柱分擔一部份地震作用產生的傾覆彎矩和剪力，達到調整BC列柱的地震內力的目的，使之相對均勻，同時通過計算可以降低C列柱的斷面尺寸。

　　如果D列柱斷面取值過小，聯系橫梁過柔過少，顯然加設此列柱的意義不大，結構仍然是單框架的概念。只有達到一定的剛度，D列梁柱體系才能起到雙跨框架的作用。問題在于，D列柱斷面如何取值，框架橫梁層數設置多少層，其斷面取多大才能起到雙框架的作用呢?本文正是要研究上述問題，通過計算了解核實上述參數的取值。

　　4 結構技術比選：

　　4.1方案比選原則：

　　技術分析比選時，推薦方案(即上述的除氧煤倉間合并布置，并采用增設D列柱模式)為方案一，方案一中為確定D列梁柱斷面尺寸，又根據斷面的不同分為A ，B，C三種計算模型;常規單框架方案(除氧煤倉間合并布置，沒有D列柱模式)為方案二，結構模型依照新疆電力設計院1998年設計的某電廠(4×200MW)為參照原形。

　　兩種方案橫向為混凝土框排架結構，縱向為框架-抗震墻結構體系(考慮到8度地震設防區結構位移的要求，在每個結構單元的端部增設一道抗震縱墻)。框架抗震等級為一級，抗震墻抗震等級為一級。

　　分析時，首先針對方案一的三種模式進行PK模塊的分析，以求得最佳的柱斷面和梁斷面的參數取值，從中選取一個最佳的組合方案。然后用這個組合方案，再與方案二(常規單框架)進行計算對比，通過采用SATWE模塊進行空間建模分析，對結構的周期，地震反應，剪重比，剛重比，結構位移，配筋等方面進行綜合比較，同時采用PK模塊進行校核，以確定本推薦方案在抗震性能的提高方面有多大的作用。

　　4.2 pk模塊平面計算：

　　通過上述計算結果分析可知，隨著D列柱截面的增加，B、C列柱截面的適當減小以及C軸~D軸梁剛度和數量的增加，使得CD之間的剛度增大，從而大幅度分擔了C列柱內力。因此增設D列柱對框架起作用的前提是D列柱斷面的取值、C軸~D軸框架梁截面的取值以及框架梁的數量。D列柱斷面越大，橫梁層數越多，截面越大，所分擔的地震內力越大。具體就本方案而言，當達到組合方案C的情況時，可以看出，D列柱所承擔的軸力已經超過C列柱，而C列柱的柱根彎矩也縮減為A組合的75%左右，因此可以判斷，此時D列框架已經開始發生作用，同時軸壓比B,C,D各列也比較均勻，較好地符合了結構抗震的延性設計理念。

　　因此對于推薦方案中各構件的斷面尺寸和結構型式，確定為按組合C進行。

　　4.3 SATWE模塊計算：

　　空間計算比對時按方案一的組合C模式與常規單框架方案二進行比對，以下是比對結果：

　　(1)自振周期，地震基底剪力和剪重比，剛重比等結構特性：

　　通過上述對比可以看出，二者之間由于調整了柱截面的關系，其結構剛度比較接近，因此周期和地震作用相差不大。但是根據SATWE計算結果可以看出，由于增設了D列柱，使得結構的抗扭剛度明顯增加，從周期分布上看，對于方案二的結構扭轉周期Tt/T1= 0.80 ,方案一的結構扭轉周期Tt/T1= 0.71 ,方案一明顯小于方案二,因此可以推斷出,由于增設了D列柱使得結構扭轉效應降低,結構平面規則性更趨于合理。

　　結構方案一相對于方案二剛重比也有明顯的提高，說明結構在地震作用下的穩定性也更趨向于合理。

　　(2) 地震作用下內力和位移計算結果對比:

　　通過上述技術經濟比對分析可以看出，增設D列柱后， C列柱由地震作用產生的軸力值由914kN減小為356KN,而柱根彎矩C列柱由2791.6kN.m減小為1706KN.m，軸壓比由0.51下降到0.46,效果相當明顯，由于軸壓比減少和柱根彎矩值減少，可大幅降低C列柱的配筋，同時結構延性得到很大提高。

　　5 方案工程量分析：

　　經計算，推薦方案比常規單框架結構混凝土用量多261.55m3,但考慮到爐前平臺和爐前高封屋面采用混凝土結構，而單框架結構采用鋼結構，所以二者造價基本持平;推薦方案與常規雙框架結構方案比較，混凝土用量減少1453.60m3，故有很大的優越性 。

　　6 結論

　　6.1 8度(0.20g)二類場地土地區，由于地震作用相對較大，且對屬于重要電廠的主廠房結構抗震措施應提高一度，因此結構選型必須慎重。

　　6.2 當主廠房結構采用除氧煤倉間合并布置方案時，結構選型必須嚴格按行業規范和國家標準采取相應的措施。就本工程而言，由于鍋爐鋼柱柱距與框架柱距能夠對齊，因此在不影響工藝布置的情況下在爐前增設一排框架柱，可以使結構的規則性和抗震性得到明顯的改觀。通過計算調整各柱列斷面的比例關系，可以使結構抗震可靠性接近常規雙框架方案的水平。

　　6.3 此推薦方案相對于常規雙框架方案，工程量節省近1453.60m3，相對于常規單框架方案，工程量基本持平。

　　因此根據本工程的條件，采用除氧煤倉間框架合并布置，通過采取在爐前增設一排框架柱與除氧煤倉間框架形成剛接體系的結構，是合適的，也是滿足現行規范要求的。

　　參考文獻

　　[1] 建筑抗震設計規范 GB 50011-2010

　　[2] 火力發電廠土建結構設計技術規程 DL 5022-2012

　　[3] 高層建筑混凝土結構技術規程 JGJ3-2010

　　[4] 建筑結構荷載規范 GB 50009-2012

　　[5] 建筑設計防火規范 GB 50016-2006

　　[6] 混凝土結構設計規范GB 50010-2010