火电厂RC框排架结构主厂房震害分析与设计建议＊

刘志钦,赵 辉

(1.河南城建学院土木与材料工程系,河南平顶山467036;2.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055;3.河南质量工程职业学院,河南平顶山467000)

火电厂主厂房是火电工程的核心部分,各种重要的设备、管道、电缆和仪表控制系统布置十分复杂、密集,楼层多、柱距大,是技术难度较高的工业厂房。主厂房一般由锅炉房、煤仓间、除氧间、汽机房、除尘器和烟囱等生产车间或其中的部分组成,各个生产车间内布置有发电用的主要设备和辅助设备[1]。主厂房设备布置的主要内容包括锅炉房、煤仓间、除氧间、汽机房等生产车间的组合方法;几十年来,主厂房的布置方式已形成较为固定的框排架结构,主厂房横向是以汽机房排架、除氧间和煤仓间双框架结构组成,锅炉房不论是钢结构还是钢筋混凝土结构都自成独立体系[2]。

在现代社会中,维系城市功能与区域经济功能的基础性工程设施系统,定义为生命线工程系统。作为大型复杂生命线系统的重要组成部分,电力系统的安全性问题直接影响国家的生产建设和人民的生活秩序。历次大震,造成极大损失的一个主要原因是承担救灾的生命线工程破坏严重,影响了救灾工作的顺利进行,而且电厂主厂房这类特殊的工业建筑,其设备价值远远超过建筑结构本身。所以,对火电厂主厂房结构进行震害分析,具有重要的实用价值和社会意义。

1976年7.8级的唐山大地震,陡河电厂钢筋混凝土框排架主厂房部分倒塌,造成电力供应的中断[3]。2008年8.0级的汶川大地震,四川一电厂主厂房结构由于破坏严重,导致电厂短期内无法正常发电[4]。主厂房结构体系复杂、质量和刚度极不规则,空间整体性能差,从而导致其抗震性能较差[5]。本文为便于分析和说明结构的震害特征,以典型的横向RC框排架布置为例[6-7],如图1。通过在历次大震中各个体的RC框排架主厂房结构主要震害特征,分析震害发生的共性,找出规律,提出加强主厂房抗震设计的建议,以期提高此类特殊工业厂房的抗震防灾水平。

1 主厂房框排架结构中框架部分的震害分析

1.1 框架梁柱节点

1976年唐山地震中,位于9度区的唐山陡河电厂主厂房框架结构,其梁柱节点核心区,均发生了剪切破坏。框架柱端出现塑性铰,而设计期望发生的“梁铰”基本没有出现,如图2所示。节点是框排架结构中的一个薄弱环节,受弯、压、剪复合作用,受力极为不利,其主要破坏形式有节点区混凝土剪切破坏、梁柱钢筋锚固破坏等。造成的这种情况破坏的主要原因：框架梁跨度过大或工艺要求使得梁截面尺寸增大,如图1中标高为27.500的大梁高3.6 m;梁上有填充墙使得框架梁刚度增大、楼板对框架梁的刚度及承载力的贡献,这些因素导致框架梁的刚度和承载力高于计算值;规范对框架柱的轴压比限值过高使得框架柱的截面尺寸偏小,导致柱及节点承载力偏小等。特别是在工程中使用高强混凝土和高强钢筋,节点区的尺寸缩小,节点区的的抗震问题更为突出,在阪神地震和台湾集集地震中,大量的钢筋混凝土框架节点发生剪切破坏。

图1 典型的横向RC框排架结构

1.2 结构薄弱层的震害

当框架结构的刚度沿竖向或水平方向发生突变时,刚度弱的楼层,即屈服强度系数相对较小的楼层率先屈服,形成局部破坏,如图1中A、B轴线间框架结构的第2层、第3层(楼层梁顶标高分别为13.70 m、27.50 m是结构薄弱层)。在强烈地震作用下,结构薄弱层发生塑性变形,形成塑性变形集中的现象,严重的导致结构的局部倒塌。1976年的唐山地震中,位于天津塘沽区的13层厂房框架结构,该结构楼层屈服强度系数分布不均匀,造成第6层和第11层的弹塑性变形集中,导致结构6层以上全部倒塌。

1.3 填充墙的震害

工程中,填充墙材料多为空心砖砌体或轻质混凝土砌块,在历次大震中,砌体填充墙的破坏较为普遍,如图3所示,交叉斜裂缝和梁柱连接部位裂缝显著,严重的出现了崩裂、掉落现象。砌体填充墙刚度大而承载力低,变形能力小,震害的规律一般是上轻下重。以剪切变形为主的框架结构,在往复变形时易发生剪切破坏,下部层间变形大,造成下部砌体填充墙的震害上轻下重;同时空心填充墙重于实心填充墙,砌块填充墙重于砖墙。

填充墙刚度效应的存在使得结构自振周期减小,从而使作用于整个建筑上的水平地震作用增大[8],同时,不同结构层内填充墙的数量或布置方式的差异,形成了上下层的填充墙的不连续,这可能导致相邻层间刚度突变,这对结构的抗震十分不利。

2 主厂房框排架结构中排架部分的震害分析

在我国发生的十多次大地震中,由于震源机制及场地条件的不同,不同地震、相同烈度区内的主厂房排架结构的震害程度也并不相同。一般在抗震设防烈度6、7度区,其主体结构和支撑系统基本保持完好,少数围护墙局部开裂或外闪;在抗震设防烈度8、9度区,由于地震作用较大,主体结构有不同程度的破坏,支撑中出现杆件压曲或节点拉脱,砖围护墙严重开裂,连接较差的围护墙大面积倒塌;在抗震设防烈度10、11度区主厂房排架结构破坏严重,以下对主厂房排架结构的主要震害构件进行分类分析：

2.1 汽机房屋盖

主厂房排架结构的主要质量集中在汽机房的屋盖系统,所以屋盖系统的破坏是造成排架结构倒塌的最主要的原因。在7度区,上凸式天窗两侧的竖向支撑,因斜杆压曲或支撑节点预埋件被拔出等,多数均遭破坏;有檩体系屋盖的钢丝网水泥槽瓦,因与檩条没有可靠的连接而发生大面积脱离坠落。在8度区,钢筋混凝土屋架端部因抗剪能力不足造成屋架端部被压坏,如图4所示;屋架上弦杆在第一或第二列与大型屋面板连接处出现水平裂缝等。在9度或更高设防烈度区,因屋架与柱顶的连接焊缝或螺栓被剪断而导致屋架与柱顶之间发生相对位移,如图5所示,屋架产生可达200 mm的错位,如果该地区的地震反应更大一些,屋架有可能滑落,造成屋盖结构的全面跨塌。

2.2 排架柱

汽机房排架柱的柱顶与屋盖连接,屋盖的地震作用首先通过柱头向下传递,柱头在反复水平地震作用下处于剪压复合受力状态,造成柱顶劈裂或酥落;排架柱上柱的根部或吊车梁高度处出现水平裂缝,如图6所示,吊车梁平面内通过牛腿传递水平力,平面外则通过吊车梁顶传到排架柱上柱,而排架柱因抗剪能力不足出现剪切裂缝;开孔工字形柱的腹板或双肢柱的平腹杆端头出现裂缝,裂缝原因腹板开孔过大造成排架柱抗剪能力不足且柱子整体工作能力差等。

2.3 柱间支撑

柱间支撑是主厂房排架结构纵向体系的主要抗侧力构件,对保证厂房建筑的整体性有重要作用。一般按构造设置,与抗震要求相比险得数量不足,在强烈地震作用下,柱间支撑发生压曲,部分节点扭折、焊缝撕裂、锚件拉脱等现象,也有个别被拉断,造成柱间支撑破坏的主要原因是厂房比较高,高烈度区纵向地震力较大,而支撑杆件截面小,长细比大,造成支撑杆件失稳破坏;支撑杆件连接较差,焊缝脱开,本来搭接焊接就存在偏心问题,焊缝质量就更减弱了支撑杆件的抗拉压能力;支撑杆的预埋件因平时受力小,设计施工中常常得不到重视,地震作用时预埋件拉脱会使支撑系统失效如图7所示。因此对地震设防烈度高的主厂房结构,支撑布置符合规范要求外,支撑截面应适当加大,长细比控制应更严格一些,成本增加很少,但却对结构抗震很有效[9]。另外,有时因柱间支撑的刚度较强,支撑间距过大而使纵向地震作用过度集中于柱间支撑的柱子,而使柱身被剪断。

其次,历次地震震害均表明,主厂房排架结构的砖围护墙在地震作用下的破坏较为普遍,特别是山墙和侧墙顶部破坏和倒塌更加严重,尤其是山尖部位,因位置高,动力反应大,在地震中的破坏早、破坏重;纵向砖墙常发生水平裂缝、外倾甚至连同圈梁整片倒塌。而围护结构采用钢筋混凝土预制墙板或轻质材料板的,墙体震害明显减轻。

3 设计建议

从以上RC框排架主厂房结构框架及排架部分的震害分析,所看到的主要是单一结构构件的裂缝或破坏,而作为生命线工程的火电厂主厂房,我们应该从深层次去分析产生这些震害的根源,以便于今后在进行此类结构设计研究时,尽量从源头消除或减弱这些主要震害的发生。

3.1 支撑煤仓间的RC柱改为SRC柱(型钢混凝土柱)

煤仓间的煤斗大梁(图1中标高为27.5 m,截面为700 mm×3 600 mm,跨度为15 m的梁)由于设备工艺的特殊要求,梁的跨高比为4.2＜5.0,属于深梁构件。煤仓间因煤斗梁的刚度过大,而分担了大部分的地震作用,且造成严重的强梁弱柱(强梁弱柱是钢筋混凝土主厂房结构的一个特点)。在低烈度区,强梁弱柱的结构震害不是很明显,而在高烈度区,建议支撑煤斗大梁的柱子改为SRC柱,SRC柱既能有效改善梁柱节点的受力性能,又能更好抵御强震作用。

3.2 设计中应考虑填充墙和围护结构参与工作

主厂房结构设计时,在考虑填充墙或围护结构对框架结构体系的刚度和自振周期影响时,对框架的自振周期进行折减是目前普遍采用的计算方法,这种折减计算的方法过去简单、笼统应该是造成填充墙或围护结构震害较普遍的原因之一。事实上作为非结构构件存在的填充墙对框架结构的承载力、刚度及其变形性能都有着很大的影响。所以针对所设计的具体主厂房结构,应根据填充墙、围护结构的不同材性、布置方式及数量,分析对结构抗侧移刚度、自振周期、变形等的相应影响。

3.3 提高框架柱和排架柱的柱端抗剪能力

地震作用下,框架柱和排架柱柱端震害是一普遍现象。设计中要使结构在非弹性变形阶段具有足够的延性,使之能吸收较多的地震能量而不发生构件的剪切破坏,RC框排架主厂房结构的框架柱或排架柱的柱端无论是柱端箍筋加密区范围、箍筋直径均应大于单一框架或排架结构的规范要求,建议箍筋加密区范围是规范规定框架结构加密区高度的1.5倍,且采用焊接封闭箍。

3.4 主厂房结构应加入震害预测机制

主厂房作为电力设备的承载结构,单一构件的破坏所造成设备不能正常运转而将导致正常的电力供应,所以,对这一类特殊结构,应在设计时进行结构的震害预测,由楼层最大延伸率的平均值,结合结构本身特点预测建筑物的震害程度[10],给出结构在不同地震烈度下的震害结果。

4 结束语

工程结构的抗震能力是社会抗震防灾系统的第一道防线,建筑物在地震中的破坏程度,大体决定了震害的严重程度,建筑结构的整体抗震安全,首先取决于结构整个系统的设计,其次是抗震构造措施,最后才是具体的抗震计算设计[11]。所以应改变设计人员“重构件、轻结构”的设计现状,加强对整个结构系统重视,增强我国建筑结构设计人员对整体结构抗震能力的把握能力,提高结构抗地震能力的设计水平。

国家防震减灾规划(2006-2020年)中指出[12]：中国50%的国土面积位于Ⅶ度(7度)以上的地震高烈度区域,包括23个省会城市和2/3的百万人口以上的大城市,逐步建立电力、煤气、给排水、通信和交通等部门的防灾机制,有效应对灾害,减轻灾害损失。RC框排架主厂房结构是火力发电厂建设的基础,其抗震设计在《建筑抗震设计规范》[13]中的规定不明确,且行业标准《火力发电厂土建结构设计技术规定》[14]也没有详细规定。所以,通过对唐山、汶川等大震中主厂房结构的震害分析,提出了一些加强主厂房抗震防灾能力的一些设计建议,供工程中参考。

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[14] DL 5022-93.火力发电厂土建结构设计技术规定[S].