某百万机组电厂煤仓间框架结构优化设计

刘建伟 万 力 李国田 付 伟

(1.河南省电力勘测设计院，河南 郑州 450007;2.国核电力规划设计研究院，北京 100095)

0 引言

优化设计是提升勘测设计质量，形成新的竞争优势和可持续发展能力的一项重要战略举措。作为我院设计的第一座单机容量1 000 MW的火力发电厂，优化设计理念贯穿始终。在电厂煤仓间框架结构设计过程中，从主厂房整体布置，到煤仓间框架结构形式的选择，框架梁柱截面的确定和框架配筋，都认真贯彻执行了优化设计，达到了良好的效果。

1 设计条件

电厂位于河南省平顶山境内，抗震设防烈度6度(设计基本地震加速度0.05g，地震分组为一组)，主要建筑物抗震设防类别为乙类，建筑场地类别Ⅰ类，抗震构造措施设防烈度6度，煤仓间抗震等级为三级，50年一遇基本风压为0.45 kN/m2。

2 煤仓间框架结构优化

根据工艺推荐方案，电厂主厂房采用侧煤仓布置，煤仓间横向布置于两炉间(炉侧)，与汽机房分开为两个独立结构单元。“侧煤仓”方案避免了常规四列式布置中除氧间与煤仓间联合布置而导致的错层问题，优化了竖向结构体系，改善了结构抗震性能，使结构受力更简洁，结构体系在水平荷载作用下的变形更均匀、更规则，同时，汽机房与煤仓间分离布置后，避免了煤斗地震力向汽机房的传递，有利于提高电厂核心区域——汽机房的抗震安全性。因而，电厂煤仓间采用的是独立钢筋混凝土框架结构的“侧煤仓方案”。

2.1 煤仓间框架结构形式和梁柱截面尺寸的优化

电厂煤仓间框架结构轴线尺寸为81 m×19.4 m×54.55 m(长×宽×高)，共9榀框架。截止目前尚无百万机组荷载的明确规定，也无相同机组的设计经历，因而在初始阶段只能依据60万机组设计经验、收口资料和工艺大荷载进行框架结构形式的布置和梁柱截面的确定，并初步拟定了两个方案，方案一和方案二框架剖面图见图1。

两个方案整体布置相近，其主要区别在于根据两方案的结构布置特点调整了内部框架柱的高度和框架梁、柱截面。其中方案一内部框架柱顶标高为29.5 m煤斗层，方案二内部框架柱顶标高为38.0 m煤斗止晃层，并且柱截面在17 m，29.5 m进行两次变截面，由方案一的1 000×1 200修改为1 000×1 000，1 000×800，煤斗止晃层框架梁截面由方案一的600×2 000缩减为500×1 500，方案二其余各层梁截面高度较方案一也均有所降低。

经过模型计算和比较，最终选择方案二为本工程煤仓间框架的结构设计方案。选择方案二，主要有以下原因:1)由于煤仓间在38.0 m层是个煤斗止晃层，煤斗止晃层需要承受煤斗产生的水平晃动荷载和地震水平作用，而在方案一中，这部分荷载完全依赖于本层的框架梁来承担，导致本层梁和框架结构受力不利;2)方案二在解决煤斗止晃层荷载传递不利的同时还降低本层框架梁的截面高度，有效增加了主厂房的净空，避免了“胖柱肥梁”现象。

图1 煤仓间方案竖向布置图

2.2 框架结构配筋优化

煤仓间框架结构形式和梁柱截面确定后，进一步从煤仓间框架的材料选择、荷载取值、计算系数和细部构造等方面对煤仓间框架配筋进行了优化。

1)材料选择。提高材料强度一方面可有效降低材料用量，减少结构自重;另一方面也可降低梁柱板尺寸，有效增加主厂房净空。具体措施有:

a.无特殊要求的填充墙全部采用轻质材料;b.煤仓间框架结构混凝土等级由原来的C30提高为C45;c.受力钢筋由原来的HPB235，HRB335级提高为HRB400级。

2)荷载取值。煤仓间框架结构计算的荷载取值，严格遵循《火力发电厂土建结构设计技术规程》(以下简称《土规》)和《火力发电厂主厂房荷载设计技术规程》(以下简称《荷载规程》)要求，并对相关规定进行了细化。

a.楼(屋)面活荷载按《土规》要求进行了折减，楼层活荷载分区布置，避免在荷载布置时只取最大荷载布置而造成的荷载放大;b.折减后不小于4 kN/m2楼(屋)面活荷载分项系数取为1.3;c.管道荷载乘0.9折减系数;d.主厂房屋面不考虑积灰荷载和雪荷载;e.楼(屋)面活荷载各组合值系数按《荷载规程》表7.0.4取值，设备、管道荷载各组合值系数按《荷载规程》6.6条取值，风荷载各组合值系数按《荷载规程》9.1.3条取值。

3)模型计算分析中各项系数的取值。在模型计算中，有很多参数对计算结果的影响较大，在满足规范要求前提下，通过对某些关键参数的调整，可在一定程度上降低配筋的计算量，为梁柱结构配筋的优化提供依据。

a.内力计算的相关参数按实际取值，如梁端负弯矩调幅系数取0.8，梁活荷载内力放大系数取1.0等;b.梁柱截面和配筋均不进行归并，主筋选筋库中钢筋直径全选，配筋放大系数取1.05，若需调整可在梁柱施工图中人工选择;c.梁柱受力钢筋的直径尽量取两种;d.箍筋、架立筋、腰筋等构造钢筋，不人为提高直径和数量。

4)细部构造设计及措施。a.增加主筋和箍筋直径类别，按计算配筋面积配置，受力主筋采用两种直径钢筋以最接近计算面积的方式搭配使用，避免了因钢筋归并造成的钢筋面积加大的现象;b.按照规范要求设置附加吊筋，不任意加大吊筋直径和根数;c.改变箍筋设置形式，部分梁柱复合封闭套箍筋改为拉结筋;d.框架结构受力钢筋采用机械接头以减少钢筋搭接长度。

实施以上措施，设计工作量会增加很多，设计人员需要不厌其烦地计算→调整→再计算→再调整，框架梁柱截面的配筋形式和钢筋类型也会更复杂多样。优化前后煤仓间主框架配筋对比详见表1。

表1 优化前、优化后煤仓间～轴主框架配筋对比表

表1 优化前、优化后煤仓间～轴主框架配筋对比表

轴号 类别优化前 优化后混凝土量/m3钢筋量kg钢筋含量kg/m3混凝土量/m3钢筋量kg钢筋含量kg/m3～总计柱234.48 53 977 230.20梁113.1 28 740 254.11柱1 213.13 379 833 313.10梁508.00 155 793 306.68柱271.58 71 659 263.86梁151.5 37 745 249.14柱186.88 45 986 246.08梁151.55 39 048 257.66柱186.88 32 041 171.46梁94.4 19 003 201.30柱2 092.97 585 100 279.56梁1 018.55 280 329 275.22 237.98 311.20 258.59 251.26 187.16 278.14 234.48 47 176 201.19 113.1 26 480 234.13 1 213.13 279 710 230.57 508.00 148 375 292.08 271.58 59 656 219.65 151.5 34 314 226.50 186.88 41 582 222.51 151.55 37 189 245.39 186.88 32 445 173.61 94.4 17 275 182.99 2 092.97 460 569 220.06 1 018.55 263 633 258.83 211.91 248.72 220.93 232.75 176.76 232.75

根据表中统计结果，经过优化，煤仓间横向框架钢筋体积含量减少了45.39 kg/m3，钢筋用量降低了近20%。

3 结论及建议

在此百万机组电厂煤仓间框架优化设计中，通过对结构形式和梁柱尺寸进行优化，使得煤仓间结构布置更合理，受力更明确，通过对框架配筋进行优化，煤仓间框架钢筋用量降低了近20%，节约工程投资近百万元，达到了降低工程造价的目的，取得了显著的经济效果。

通过百万机组电厂煤仓间框架优化设计，笔者对优化设计有了更深刻的认识:优化设计首先要明确目标，即在满足使用功能及规范要求的情况下最大限度的降低工程造价，节约工程投资;其次优化设计要注重过程控制，力求在设计的每一个阶段做到最优。对于结构专业而言，过程控制主要在以下两个阶段实现:一是在结构的布置方案阶段，二是在结构的配筋计算和细部构造设计阶段。

［1］DL 5022-93，火力发电厂土建结构设计技术规程［S］.

［2］DL/T 5095-2007，火力发电厂主厂房荷载设计技术规程［S］.