摘 要：火力發(fā)電廠主廠房是電廠的核心，其結(jié)構(gòu)形式的布置直接決定整個電廠的安全性和經(jīng)濟性。受汶川地震的影響，以及新版抗規(guī)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(jié)構(gòu)時必須慎重。

　　關鍵字：結(jié)構(gòu)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(guī)三列式(汽機房—除氧間—煤倉間)布置方案發(fā)展為兩列式布置方案(汽機房—除氧煤倉間合并布置)和側(cè)煤倉方案，其中側(cè)煤倉方案又分為(汽機房—除氧間+側(cè)煤倉)和(單排架+側(cè)煤倉)方案。主廠房布置模式的多樣化，導致主廠房結(jié)構(gòu)必須采取靈活多變的結(jié)構(gòu)體系。由于結(jié)構(gòu)專業(yè)受制于工藝布置的原因，很多結(jié)構(gòu)方案一開始構(gòu)思就受到其他專業(yè)的限制，所以結(jié)構(gòu)專業(yè)處理問題時遇到了很大的挑戰(zhàn)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(yōu)越性，但是由于除氧煤倉間合并布置，結(jié)構(gòu)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(cè)力構(gòu)件而降低了結(jié)構(gòu)的安全儲備。

　　本文目的是論證在保留工藝專業(yè)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(cè)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(jié)構(gòu)設想。并將此方案與常規(guī)的三列式(常規(guī)雙框架)和兩列式(常規(guī)單框架)進行技術經(jīng)濟比對，論證其可行性。同時通過結(jié)構(gòu)計算確定D排柱和框架梁的截面，推薦出優(yōu)化合理的主廠房結(jié)構(gòu)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(guī)模為2×200MW超高壓雙抽凝汽供熱發(fā)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(jié)構(gòu)布置方案

　　3.1工藝布置

　　根據(jù)工藝專業(yè)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(jié)構(gòu)選型：

　　本工程采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。由于工藝布置已經(jīng)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(xiàn)有規(guī)范和保證結(jié)構(gòu)安全度的前提下策劃布置結(jié)構(gòu)體系。

　　3.2.1 現(xiàn)有相關結(jié)構(gòu)規(guī)范和規(guī)定的要求：

　　(1)10版《建筑抗震設計規(guī)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(jié)構(gòu);高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)”。

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

　　(3)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程》JGJ 3-2010 6.1.2條抗

　　震設計的框架結(jié)構(gòu)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(yè)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(guī)協(xié)會土建專委會關于“主廠房結(jié)構(gòu)體系研討會”，會議上達成了統(tǒng)一的認識，歸納為“火電廠主廠房結(jié)構(gòu)屬多層混凝土框排架結(jié)構(gòu)”和“主廠房結(jié)構(gòu)不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)，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(qū)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(yè)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(jié)構(gòu)體系設想：

　　通過分析，我們發(fā)現(xiàn)，如果在爐前平臺鍋爐側(cè)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(jié)構(gòu)概念上就可以滿足《抗規(guī)》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(yè)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(jié)構(gòu)方案。

　　由于新疆地區(qū)屬寒冷氣候區(qū)，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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)脫開，保證混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)這兩種體系互不關聯(lián)，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(guī)和土規(guī)的設計要求。

　　(2)由于增設D列柱，使整個主廠房框架結(jié)構(gòu)由單跨變?yōu)殡p跨，抗側(cè)力構(gòu)件相應增加，結(jié)構(gòu)耗能節(jié)點相應增多，使結(jié)構(gòu)抗震防線的可靠性得到提高。

　　(3)通過剛接橫梁的聯(lián)系，可使D列柱分擔一部份地震作用產(chǎn)生的傾覆彎矩和剪力，達到調(diào)整BC列柱的地震內(nèi)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(lián)系橫梁過柔過少，顯然加設此列柱的意義不大，結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)的取值。

　　4 結(jié)構(gòu)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(jù)斷面的不同分為A ，B，C三種計算模型;常規(guī)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，縱向為框架-抗震墻結(jié)構(gòu)體系(考慮到8度地震設防區(qū)結(jié)構(gòu)位移的要求，在每個結(jié)構(gòu)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(shù)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(guī)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(jié)構(gòu)的周期，地震反應，剪重比，剛重比，結(jié)構(gòu)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(jié)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(shù)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(nèi)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(shù)量。D列柱斷面越大，橫梁層數(shù)越多，截面越大，所分擔的地震內(nèi)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(jīng)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(jīng)開始發(fā)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(jié)構(gòu)抗震的延性設計理念。

　　因此對于推薦方案中各構(gòu)件的斷面尺寸和結(jié)構(gòu)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(guī)單框架方案二進行比對，以下是比對結(jié)果：

　　(1)自振周期，地震基底剪力和剪重比，剛重比等結(jié)構(gòu)特性：

　　通過上述對比可以看出，二者之間由于調(diào)整了柱截面的關系，其結(jié)構(gòu)剛度比較接近，因此周期和地震作用相差不大。但是根據(jù)SATWE計算結(jié)果可以看出，由于增設了D列柱，使得結(jié)構(gòu)的抗扭剛度明顯增加，從周期分布上看，對于方案二的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)周期Tt/T1= 0.80 ,方案一的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)效應降低,結(jié)構(gòu)平面規(guī)則性更趨于合理。

　　結(jié)構(gòu)方案一相對于方案二剛重比也有明顯的提高，說明結(jié)構(gòu)在地震作用下的穩(wěn)定性也更趨向于合理。

　　(2) 地震作用下內(nèi)力和位移計算結(jié)果對比:

　　通過上述技術經(jīng)濟比對分析可以看出，增設D列柱后， C列柱由地震作用產(chǎn)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(jié)構(gòu)延性得到很大提高。

　　5 方案工程量分析：

　　經(jīng)計算，推薦方案比常規(guī)單框架結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，而單框架結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)，所以二者造價基本持平;推薦方案與常規(guī)雙框架結(jié)構(gòu)方案比較，混凝土用量減少1453.60m3，故有很大的優(yōu)越性 。

　　6 結(jié)論

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

　　6.2 當主廠房結(jié)構(gòu)采用除氧煤倉間合并布置方案時，結(jié)構(gòu)選型必須嚴格按行業(yè)規(guī)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?qū)�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(jié)構(gòu)的規(guī)則性和抗震性得到明顯的改觀。通過計算調(diào)整各柱列斷面的比例關系，可以使結(jié)構(gòu)抗震可靠性接近常規(guī)雙框架方案的水平。

　　6.3 此推薦方案相對于常規(guī)雙框架方案，工程量節(jié)省近1453.60m3，相對于常規(guī)單框架方案，工程量基本持平。

　　因此根據(jù)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(jié)構(gòu)，是合適的，也是滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的。

　　參考文獻

　　[1] 建筑抗震設計規(guī)范 GB 50011-2010

　　[2] 火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設計技術規(guī)程 DL 5022-2012

　　[3] 高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術規(guī)程 JGJ3-2010

　　[4] 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范 GB 50009-2012

　　[5] 建筑設計防火規(guī)范 GB 50016-2006

　　[6] 混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范GB 50010-2010