浅析火力发电厂主厂房结构选型

张俊珍

（山西省电力勘测设计院，山西 太原，030001）

1 总体介绍

1.1 工程概况

国投晋城热电厂一期(2×300 MW)工程位于晋城市泽州县金村镇上辛安村东，厂址旁有省级道路相邻，交通较为便利。新建电厂首期装机容量为2×300 MW燃煤直接空冷机组，并为二期留有扩建余地。一期场地面积约为550×350 m2。

为实现工程项目“安全经济、技术进步、控制工程造价、提高经济效益”的目标，本工程土建结构设计中，落实贯彻《2000年燃煤示范电站》设计思路即主厂房结构选型最优、最大限度地降低工程造价。

火力发电厂结构设计随着电力建设事业的发展而不断发展，经历了各种结构形式的交替发展。主厂房结构选型不仅要贯彻执行电力建设的基本方针和政策，控制工程造价，而且要充分结合2000年示范电厂的设计思路，做到安全适用、技术先进、经济合理；同时应充分考虑各个方面的因素，并积极推广高新技术，使业主以合理的投资获得最佳的经济效益和社会效益。

因此，在满足工艺布置和充分配合的基础上，对本期2×300 MW机组的主厂房结构选型及结构体系进行优选、论证，结合我院已完成的关于主厂房结构选型模式，在综合技术经济比较的基础上，提出结构选型最佳方案。

1.2 主要设计技术数据

基本风压：0.52 kN/m2

地面粗糙度：B类

场地土类别：Ⅰ类（主厂房区域）

抗震基本设防烈度：根据2001版《中国地震动参数区划图》，地震动峰值加速度为0.05 g，对应的抗震设防烈度为6度，地震分组第三组，特征周期为0.45 s。

1.3 主厂房区域工程地质条件

主厂房区位于场地东南部，为丘陵中部。自然地面标高794.5～799.0 m，按照总平面设计方案，主厂房区的建筑地面标高为792.0 m，该地段为挖方区。据本次勘测结果，该场地地基土的上部为②层粉质黏土，厚度不等，为1.0～10.0 m，层底标高一般大于788.0 m，仅局部地段为784.5～786.0 m，下伏③层砂岩、页岩，岩层的强风化厚度1～2 m，以下为中等～微风化。基础底面埋深-6.0 m（标高786.0 m），则主厂房可采用天然地基，持力层以③层砂岩、页岩为主。

③层性质：砂岩、泥岩、页岩、砂质页岩互层（C3t）夹石灰岩，单轴饱和抗压强度1.0 MPa，承载力特征值一般大于500 kPa，力学性质较好，为整个场地的建（构）筑物天然地基良好持力层和下卧层。

2 主厂房抗震设防标准

单机容量为300 MW及以上的重要电厂中的主要生产建（构）筑物，相当于《建筑抗震设计规范》GB50011中的乙类建筑。根据《火力发电厂土建结构设计技术规程》（2010年7月）报批稿中第13.1条的要求，对于主厂房、集中控制楼、烟囱、烟道、碎煤机室、转运站、运煤栈桥等建筑的抗震措施设防烈度应提高1度，而建筑场地为Ⅰ类时，乙类建（构）筑应允许按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。本工程采用钢筋混凝土结构型式，根据《建筑抗震设计规范》(GB5011-2010)6.1.2条，框架抗震等级应为三级。

3 主厂房结构选型

3.1 主厂房结构型式现状分析

《火力发电厂土建结构设计技术规程》要求：主厂房结构形式应根据材料供应、自然条件、施工条件、维护便利和建设进度等因素做必要的综合技术经济比较后确定；主厂房框排架应采用钢筋混凝土结构，有条件时也可采用组合结构；300 MW及以上的机组，主厂房的主要承重结构必要时可采用钢结构。

国投晋城热电厂一期(2×300 MW)工程于2008年4月14日至17日在山西省晋城市召开了初步设计预审查会，会议认可了工艺专业布置的主厂房采用汽机房与煤仓间构成的现浇钢筋混凝土多层单跨框排架结构形式。土建专业作为服务性专业，积极配合工艺专业的要求，基于对以往工程的借鉴，考虑到大多数的(2×300 MW)机组所采用的现浇钢筋混凝土多层单跨框排架结构形式已趋于成熟，本工程借鉴付诸实施。

3.2 主厂房单跨框架结构问题所在

汶川大地震后，国家《建筑抗震设计规范》(GB5011-2010)第6.1.5条补充了控制单跨框架结构适用范围的要求。要求“甲、乙类建筑以及高度大于24 m的丙类建筑，不应采用单跨框架结构；高度大于24 m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构。”本条款补充修订的出处，来自2008年汶川大地震震害调查总结的经验，其主要是针对震区学校、医院等房屋采用单跨框架钢筋砼结构体系在强震下破坏较多，单跨框架房屋的整体性作用很差等问题。但对于工业厂房中单跨钢筋砼框架破坏并不突出，这可能与下列因素有关：工业建筑在地震发生时生产运行并没有处于设计荷载工况，从工艺设计荷载方面存有的抗震储备比民用房屋大，同时工业建(构)物在支撑、楼面等空间刚度的实施方面考虑也比较充足一些。

单框架或双框架结构体系在抗震能力设计中，承载能力的设防和储备都是一个标准。两种结构体系的差异体现在强震情况下结构整体的抗震能力，由于结构不对称，个别构件首先出现塑性铰后，其他相关构件能否更多的相互作用。多跨框架结构可以在不均匀性、不同时性方面提高结构体系的抗强震的能力，单跨框架较差，而多层框排架体系介于它们之间。

《火力发电厂土建结构设计技术规程》(2010年7月)报批稿第13.1.8条规定：“发电厂多层建（构）物不宜采用单框架结构。当采用单框架结构时，应采取提高结构安全度的可靠措施。”这说明有条件时，特别是地处高烈度地震区时，尽量不要采用单跨框架的多、高层结构，但并未完全限制单跨框排架的使用，同时也不应该限制。因为工艺等布置特征决定了建筑的形式，单跨框排架不得不出现。我们使用时应遵循概念设计，采取相应的安全措施。

3.3 采用单跨框架结构计算分析及构造措施

本工程地震动峰值加速度为0.05 g，对应的抗震设防烈度为6度，主厂房区域场地土类别为Ⅰ类，主厂房采用汽机房与煤仓间构成的现浇钢筋混凝土多层单跨框排架结构形式。依据抗震规范要求，主厂房抗震构造措施可不提高，仍为6度。考虑到单框架结构应采取相应可靠措施提高结构的安全度，设计阶段在满足强度、稳定、变形及抗震等要求的前提下，抗震构造措施按提高一度采用即为7度设计，将6度三级框架改为7度二级框架，同时还采取了如加大柱截面，避免“强梁弱柱”问题的出现，降低混凝土柱轴压比，增加构件延性等抗震构造措施，使结构具有足够的刚度、延性和耗能能力。

根据《火力发电厂土建结构设计技术规程》(2010年7月)报批稿13.4.2规定：“主厂房结构宜采用三维空间体系进行结构整体分析，并应将主厂房外侧柱、汽机房平台结构（非独立布置时）进行联解。”本工程在设计过程中，详细分析了主厂房在工艺布置方案下的受力性能，保证结构在各种不利工况下满足强度、刚度、变形等各项要求，运用程序进行空间结构计算和地震分析、验算复核。对主厂房采用钢筋混凝土结构方案所可能出现的对抗震不利的因素如短柱、错层、薄弱层、异型节点等，进行计算、分析。通过优化层高、断面，尽可能避免或减少短柱，对不可避免的短柱通过采用合理的箍筋形式及配置对角斜筋来提高其延性和抗剪能力；通过合理的工艺布置方案来避免异型框架节点；做到结构竖向连续布置，力求减少各层间刚度的差异，以防形成薄弱层；在满足工艺要求的同时使结构尽可能规则布置，以使整个结构体系更利于抗震。主厂房设计中，应充分考虑汽机房各层平台梁与主厂房A、B排柱连接后构件之间的整体协调作用，按实际刚度计入现浇和装配整体式楼（屋）盖刚度的影响，汽机房屋面采用钢屋架加压型钢板作底模现浇屋面板，按刚性屋面考虑。采用空间有限元程序进行空间结构计算和验算复核，使构件断面选择合理，并结合目前成熟的技术、施工条件，进行合理计算。力求优化构件尺寸，寻求最佳结构性能，实现工程造价最低、总体进度最快的目标。

《火力发电厂土建结构设计技术规程》(2010年7月)报批稿13.4.2还指出“钢筋混凝土主厂房结构采用三维空间分析法时，必要时可选择荷载较大的代表性框架进行平面校核。”本工程运用三维空间结构计算的同时，按主厂房纵、横两个方向的平面结构体系进行内力分析，结论同三维计算结果。以下为三维空间结构计算结论。如表1所示。

由结论可知，本结构体系计算由风荷载作用控制，地震不起控制作用。

表1

本工程在优化梁柱断面后，适当增大了框架的梁柱断面，降低了轴压比，提高了结构的安全度，弥补了单框架在强震情况下结构整体的抗震能力差的不足。本工程主厂房B列柱截面适当增大为 700×1 800（800×1 800），C列柱截面为 700×1 600（800×1 600），全截面配筋率小于3.0%，轴压比控制在0.79以下。《建筑抗震设计规范》表6.1.2现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级规定高度大于24 m的框架结构建筑物的抗震等级为三级，本工程设计时采用提高一级即抗震等级为二级来提高安全储备。

4 结束语

综上所述，本工程在充分满足工艺专业布置的前提下，通过对主厂房空间结构计算及纵、横两个方向的平面结构体系进行内力分析，满足结构强度、稳定、变形及抗震等的计算要求。利用提高抗震构造措施、增大柱截面、降低轴压比等途径来保证结构安全度。故建议本工程主厂房采用汽机房与煤仓间构成的现浇钢筋混凝土多层单跨框排架结构形式。