高烈度地震区侧煤仓结构选型及抗震性能分析

赵春晓，赵志

(河北省电力勘测设计研究院，石家庄市，050031)

0 引言

火力发电厂主厂房布置越来越多地采用模块化设计，侧煤仓布置则因能减小主厂房体积、节省工艺4大管道投资、降低A列到烟囱的距离指标等优点，得到越来越广泛的应用。侧煤仓布置在2台锅炉之间，为1个独立的结构体系。在水平布置上，除端头转运站处之外，其他均为较规则的结构;但在竖向布置上，由于给煤机层、煤斗支撑层、皮带层等设备荷载相差很大(相应框架梁刚度相差亦很大)，同时综合各层楼板开洞、端头布置楼梯间、高位布置转运站等因素，因此竖向布置很不规则。特别是当采用钢筋混凝土框架结构时，梁高为3 m左右的煤斗大梁处“强梁弱柱”的存在，使侧煤仓间框架结构出现了一些在抗震概念设计方面的薄弱环节。因此，地震高烈度区侧煤仓间结构选型及抗震性能至关重要。

1 工程概况

本文所结合的工程位于抗震设防烈度为8度的区域，场地土类别为Ⅲ类。300 MW供热机组的主厂房布置采用侧煤仓方案，侧煤仓间高度为39.6 m，横向跨度为8.8 m+14 m+8.8 m(共3跨)，纵向6个柱距，柱间距为9，12 m，煤仓间总长度为57 m。煤仓间共分4 层，标高分别为 ±0、12.6、33.6、39.6 m 层，皮带层屋顶标高39.6 m。其中±0 m层布置磨煤机，12.6 m为给煤机层，33.6 m为皮带层，39.6 m层为老虎头。侧煤仓间框架布置如图1所示。

2 侧煤仓结构选型原则

侧煤仓结构布置需满足工艺设备布置、管道安装及检修空间利用等要求，同时还应该满足结构承载力、变形等要求。对于抗震高烈度区的侧煤仓结构，建筑抗震设防类别为乙类。

图1 侧煤仓间布置Fig.1 Arrangement diagram of side bunker

合理的抗震设计，除了要满足结构抗震计算，更重要的是做好结构的抗震概念设计，主要包括以下几点［1-3］:

(1)应具有简单、规则、对称、质量和刚度变化均匀的结构形式。

(2)结构体系具有明确的计算简图、合理的力传递路径、合理的强度和刚度分布、良好的变形能力。

(3)各类构件应具有必要的强度和变形能力(或延展性)。

(4)各类构件之间应具有可靠的连接。

(5)抗震结构的支撑系统应能保证地震时结构稳定。

3 规范对结构选型的规定及分析

主厂房通常采用的结构方案有钢筋混凝土结构和钢结构2种，但是由于2种结构形式抗震延性不同，规范对钢筋混凝土框架的适用高度限制较严。GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》［4］第 6.1.1 条规定:抗震措施设防烈度8度时，现浇钢筋混凝土框架结构最大适用高度为40 m;抗震措施设防烈度9度时，现浇钢筋混凝土框架结构最大适用高度仅有24 m。当钢筋混凝土结构的房屋高度超过最大适用高度时，应通过专门研究，采用有效加强措施，如采用型钢混凝土构件、钢管混凝土构件等。文献［4］第6.1.3条中第4条规定:当甲乙类建筑按规定提高1度，确定其抗震等级，而房屋的高度超过本规范规定的上界时，应采取比一级更有效的抗震构造措施。

600 MW/1 000 MW机组主厂房的侧煤仓间框架结构高度一般为50～55 m，300 MW机组侧煤仓框架结构高度一般为40～45 m，再考虑刚度不均匀结构的最大适用高度折减，侧煤仓钢筋混凝土框架结构高度均已超过以上规范的限高要求，因此宜采用型钢混凝土结构、钢管混凝土结构等形式。

4 侧煤仓结构选型

为满足高烈度区抗震设计要求，电厂主厂房结构形式一般采用钢结构(钢支撑-钢框架结构)和钢筋混凝土结构(钢筋混凝土框架-剪力墙结构)。高烈度地震区侧煤仓宜采用型钢混凝土柱-分散剪力墙结构，这种结构较为充分地利用了混凝土、钢结构2种材料的优点。在侧煤仓钢筋混凝土柱内配置轧制型钢或焊接型钢，充分利用混凝土的高抗压性能和钢材的高抗拉压性能，使钢筋混凝土与型钢形成整体，共同受力，从而大大提高钢筋混凝土柱的抗震延性，实现“强柱弱梁、强剪弱弯”的抗震设计。

型钢混凝土结构在具有很强的抗震性能，这在日本多次大地震中已得到了充分的验证。日本地震高发区抗震规范规定:高度超过45 m的建筑物不得使用钢筋混凝土结构，而型钢混凝土结构则不受此限制［5］。

侧煤仓采用型钢混凝土框架-剪力墙结构，工程初期投资比钢结构节省明显。就本工程而言，侧煤仓采用型钢混凝土框架-剪力墙结构，比采用钢结构节省初期投资约400万元。同时，还避免了高额的后期维护费用。

5 型钢混凝土结构侧煤仓抗震性能分析

本文以前述工程侧煤仓布置为例对其型钢混凝土框架柱-分散剪力墙结构进行抗震性能分析。柱混凝土强度等级C50，抗震等级一级，横向框架抗震等级大于一级。中间跨柱断面800 mm×1 200 mm;中间配置型钢900 mm×400 mm×18 mm×26 mm;边跨柱断面700 mm×1 000 mm;剪力墙厚度500～700 mm。

5.1 承载能力

由于型钢混凝土结构中的型钢可不受钢筋混凝土结构配筋率的限制，通过调整型钢断面，它的承载力可以达到同外形同类构件承载力的1.5倍以上。对于本工程而言，在配置上述型钢的情况下，相同混凝土截面柱钢筋混凝土-型钢组合构件截面抗弯刚度为混凝土结构的1.15倍，截面轴向刚度为混凝土构件的1.2倍。因此，其抗弯、抗压能力均得到有效提高。

5.2 变形能力

在弹性设计阶段，型钢混凝土与混凝土结构变形能力差别不大，形状相同的断面尺寸，计算层间位移角数值基本接近;而在塑性设计阶段，型钢混凝土框架最大弹塑性层间位移角比混凝土结构增大明显，表明型钢混凝土框架结构在达到破坏荷载后，仍能确保在承载能力不显著降低的条件下，拥有良好的塑性变形能力［2］。这一点在本工程实际计算中也得到了验证。表1为工程相同断面混凝土框架柱的钢筋混凝土结构和型钢混凝土结构位移计算值。

表1 钢筋混凝土和型钢混凝土结构变形能力比较Tab.1 Comparisons of deformation between reinforced concrete and steel reinforced concrete structure

5.3 抗震设计计算指标

采用系列软件对本工程选定的型钢混凝土柱-分散剪力墙结构侧煤仓间进行了弹性、静力弹塑性分析计算，分析其抗震性能。弹性阶段主要抗震指标如表2所示，弹塑性阶段主要指标如图2所示。

表2 型钢混凝土结构侧煤仓弹性阶段主要抗震指标与计算结果对比情况Tab.2 Comparisons between seismic index and calculated results for side bunker with steel reinforced concrete structure

由图2可以看出，整体结构阻尼比大于弹性阻尼比5%，结构进入塑性阶段，能力谱曲线均能穿越需求谱曲线。

6 结语

图2 型钢混凝土框架柱－分散剪力墙结构能力谱－需求谱图(横向)Fig.2 Relationship between capacity spectra and demand spectra for steel reinforced concrete structure

本文所述的结构计算分析表明:在高烈度地震区主厂房侧煤仓采用型钢混凝土柱-分散剪力墙结构是安全可行的。针对刚度和强度分布不均匀以及由于工艺布置造成的梁刚度大于柱刚度的主厂房侧煤仓结构，在钢筋混凝土柱中加入型钢，形成组合结构，不仅有效地提高了钢筋混凝土柱屈服后的变形能力，同时也相应提高了柱抗剪承载能力，防止结构在过大层间变形后发生整体倒塌。型钢混凝土结构已在高层建筑和桥梁结构中得到广泛应用，但目前在火力发电厂主厂房结构中的应用还较少，其详细的连接节点设计和施工值得深入研究。

［1］吴涛，白国良，刘伯权.大型火力发电厂钢筋混凝土框排架主厂房结构抗震性能试验研究［J］.建筑结构学报，2007，28(3):46-52.

［2］郑山锁，邓国专，李磊，等.型钢高强高性能混凝土框架结构抗震性能的实验研究［J］.工程力学，2009，26(5):88-93.

［3］白国良，刘志钦，康灵果.型钢混凝土框排架结构主厂房拟动力实验研究［J］. 世界地震工程，2009，25(3):55-60.

［4］GB 50011—2010建筑抗震设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2010.

［5］JGJ 3—2002高层建筑混凝土结构技术规程［S］.北京:中国建筑工业出版社，2002.