火电厂钢结构主厂房设计研究

*李灵聚 梁焕新

(1.中国成达工程有限公司 四川 610041 2. 成都大学建筑与土木工程学院 四川 610106)

火电厂钢结构主厂房设计研究

*李灵聚1梁焕新2

(1.中国成达工程有限公司 四川 610041 2. 成都大学建筑与土木工程学院 四川 610106)

随着我国电力工业的快速发展,火力发电厂单机容量的不断增大,主厂房的跨度和高度也随之增加,具有布置灵活、强度高、自重轻、施工速度快、抗震性能好等优点的钢结构,已经成为大型火电厂主厂房的主要结构形式,尤其是在抗震设防区建造大型火电厂,钢结构已成为首选形式.本文以某1000MW火力发电厂主厂房的设计实例,对钢结构厂房的结构布置、荷载输入及组合、抗震设防标准的确定、强弱框架类型的判定以及抗震措施等方面的问题进行了探讨,其结论可供类似工程参考.

钢结构主厂房;荷载输入;侧移;抗震设防;抗震措施

主厂房作为发电厂中最重要的建筑,因其建筑功能及分区繁多、结构复杂多样以及体型高大,再加上其内部设备重要,投资大、要求高等特点,结构设计难度较大.主厂房是火电厂的核心,结构合理布置及合理设计,对保证工程质量、降低材料消耗和工程造价,加快施工进度和保证电厂安全运行等具有决定性作用.

1.工程概况

图1 主厂房±0.000平面布置图

某1000MW火力发电厂,主厂房采用钢结构方案,平面功能分区主要为汽机房、除氧间、煤仓间.主厂房主要柱距为10m,总长度为114.4m.主厂房横向跨度为:汽机房34m,除氧间10m,煤仓间13.5m.主厂房竖向标高分别为:汽机房运转层17.0m,汽机房中间层8.6m,汽机房吊车轨顶标高30.7m,汽机房屋盖梁顶标高36.8m;除氧间低压加热器层8.6m,除氧间高压加热器层标高17m,除氧间除氧器层标高26.0m,除氧间屋面标高37.270m;煤仓间给煤机层标高17.0m, 煤斗支撑点标高30.5m,煤仓间皮带层标高46.5m,输煤皮带头部间标高52.5m.主厂房平面布置图见图1、剖面图见图2所示.主厂房钢结构有以下几个显著的特点:

(1)结构平面不规则、竖向不规则及质量突变,如汽机房存在大开洞、煤仓间的竖向收进及煤斗支撑层与相邻层质量突变等;

(2)结构的整体尺寸、标高和孔洞等由工艺专业确定,结构布置受制约较多;

(3)受设备和管道布置的影响,垂直支撑的形式、数量和设置的部位等受到严重制约.

根据主厂房的以上特点,主厂房的结构布置主要任务在满足工艺要求的前提下,满足抗震设防对抗侧力体系特别是支撑体系的设置要求,满足抗震设防目标的实现,保证结构安全.

图2 主厂房剖面图

2.抗震设防类别

本项目主厂房抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度0.20g,场地类别II类.根据《火力发电厂土建结构设计技术规程》(DL 5022-2012)(以下简称《技术规程》)第11.1.5条,quot;丙类钢结构主厂房框排架,7度、8度和9度的抗震等级应分别按四级、三级、和二级采用quot;,主厂房的抗震设防分类标准为乙类,提高一度采取抗震措施,即抗震措施的抗震等级为二级.根据《电力设施抗震设计规范》(GB 50260-2013)(以下简称《电抗规》)表7.1.2钢结构框架-支撑体系,8度,大于50m时,其抗震等级为二级,小于等于50m时,为三级,乙类建筑提高一级,即该主厂房的抗震等级为一级,与《技术规程》不一致.根据《建筑抗震设计规范(2016版)》(GB 50011-2010)(以下简称《建抗规》)第H.2.1条规定quot;本节未作规定时,多层部分可按本规范第8章的有关规定执行,其抗震等级的高度分界应比本规范第8.1节规定降低10m;单层部分可按本规范第9.2节规定执行quot;.可确定该主厂房煤仓间抗震等级为一级,汽机房和除氧间抗震等级为二级.可以看出,三本规范对抗震等级的规定不一致,详见下表1.《技术规程》中建筑高度对抗震等级的确定没有影响显然不尽合理,《电抗规》中没有对排架部分区别对待,对门刚部分要求相对过严.本项目执行《建抗规》规定.另外,根据《建抗规》第8.4.3条规定quot;框架-中心支撑结构的框架部分,当房屋高度不高于100m且框架部分按计算分配的地震剪力不大于结构底部总地震剪力的25%时,一、二、三级的抗震构造措施可按框架结构降低一级的相应要求采用quot;,经计算该主厂房的框架部分按计算分配的地震剪力不大于结构底部总地震剪力的25%,因此该主厂房的抗震等级如下表2.

表1 不同规范主厂房(乙类)抗震等级对比

表2 主厂房(乙类)各部分抗震等级

3.抗侧力体系设置

主厂房纵横向均设置框架-支撑体系,满足传力直接和侧移需求.由于受工艺设备及管道的制约,当支撑不能在同一跨连续设置时,应在相邻柱间布置,柱间支撑应搭接一层,且同时加强楼盖水平刚度.典型支撑设置详见图3及图4.

4.楼盖体系设计

楼盖对水平地震力的分配及结构空间性能的发挥都起着重要作用,应设计成刚性楼板.为施工方便、缩短工期, 主厂房各层楼面及除氧煤仓间屋面均采用镀锌压型钢板做永久底模、底模上现浇钢筋混凝土板的组合楼盖.另外,在楼层大开洞处增设楼层水平钢支撑,以满足结构水平作用的合理传递,保证结构空间体系的完整与刚度均匀分布.

5.荷载输入及组合

主厂房的荷载种类、分项系数、工况类别等均与常规民用建筑及工业建筑有很大的区别,各种荷载的分项系数、组合系数等均应按《技术规程》第3章的规定采用.主厂房内设备和管道非正常运行时的活荷载,施工安装时大件设备运输、起吊等临时荷载均不参与框排架整体分析.在验算框架柱、主梁强度时,荷载应考虑折减;验算次梁强度时,荷载不折减.验算主框架变形时,荷载使用折减后的标准值;验算次梁变形时,荷载使用未折减的标准值.设计时应根据荷载的最不利布置对其进行分组,得出基本工况,再按照荷载组合的原则,列出各种组合工况,然后逐一输入计算机有程序完成组合计算.切忌由程序自身对用户输入的荷载按照规范要求进行自动组合.

直接支撑设备或料斗的构件及其连接,应计入设备或料斗产生的水平地震作用,该水平地震作用应按下式计算:

式中,Fs为设备或料斗重心处所产生的水平地震作用标准值;∝max为水平地震影响系数最大值;Geq为设备或料斗的重力荷载代表值;Hx为设备或料斗重心至室外地坪的距离;Hn为厂房高度.该水平地震作用对支承构件产生的弯矩、扭矩可通过此水平地震作用乘以该设备或料斗重心至支承构件形心距离来计算.

图3 横向支撑布置典型示意图

图4 纵向支撑布置典型示意图

6.强弱支撑框架的判断

《钢结构设计规范》(GBJ 17-88)将钢框架分为无侧移框架和有侧移框架.此规范第5.2.2条的尾注中给出了无侧移框架和有侧移框架的判别方法,即quot;无侧移框架系指框架中设有支撑架、剪力墙、电梯井等支撑结构,且其抗侧移刚度等于或大于框架本身抗侧移刚度的5倍者.有侧移框架系指框架中未设上述支撑结构,或支撑结构的抗侧移刚度小于框架本身抗侧移刚度的5倍者.quot;也就是说在框架支撑体系中,当框架承受的总水平力小于等于总剪力的20%时,可认为是无侧移框架.此规定在设计中简单易行,便于判别.在实际结构模型中加入一固定的水平荷载,计算出结构的位移值,然后将模型中的抗侧移支撑结构(支撑架、剪力墙、电梯井等)删去,再计算结构的位移值.如果第二次计算的位移为第一次计算位移的5倍及以上,即可判定为无侧移框架;如果第二次计算的位移不到第一次计算位移的5倍,即可判定为有侧移框架.此判别方法现在仍然为一些设计单位沿用,但此方法也有一定的局限性.

《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99-98)在高层建筑钢结构整体稳定计算的章节中,对框架柱计算长度系数的取值做出了规定.此规范5.2.11条规定:quot;对于有支撑的结构,且△u/h≤1/1000,按有效长度法验算.钢柱的计算长度系数可按旧版钢结构设计规范GBJ 17附录四附表4.1采用.支撑体系可以是钢支撑、剪力墙和核心筒体等.对于无支撑的结构和△u/hgt;1/1000的有支撑的结构,应按能反映二阶效应的方法验算结构的整体稳定.quot;此内容与旧版钢结构设计规范GBJ 17相关联,即将层间位移角△u/h≤1/1000作为判定有支撑框架的依据,当满足此判别式时,即可按旧版钢结构设计规范GBJ 17中附表4.1quot;无侧移框架柱的计算长度系数quot;来确定钢柱计算长度系数.此规范给出的判别式简单明了,在设计过程中方便实用.但在实际设计过程中发现,此判别式规定较严,层间位移角要达到△u/h≤1/1000的要求,需要设置较多支撑,对于设备与管道较多的主厂房钢结构来说,实现起来较为困难.同时,此规范条文与已经废止的旧版钢结构设计规范GBJ 17相关联,设计中按此规范条文进行判断,有欠妥当.

现行《钢结构设计规范》(GB50017-2003)将钢框架分为无支撑的纯框架和有支撑框架,其中有支撑框架根据抗侧移刚度的大小,分为强支撑框架和弱支撑框架.现行规范GB50017中的quot;强支撑框架quot;相当于旧规范GBJ 17中的quot;无侧移框架quot;.规范GB50017给出了强、弱支撑框架的判别公式,即当支撑结构(支撑桁架、剪力墙、电梯井等)的侧移刚度(产生单位侧倾角的水平力)Sb满足下式要求时,即为强支撑框架.

7.抗震措施

框架柱、梁及支撑的构造措施均应满足《建抗规》第H.2的相关规定.

(1)框架柱在地震作用的性能,主要由其长细比、板件宽厚比及轴压比所决定,其延性受轴压比影响较大,因此其限值要严格遵守现行《建抗规》的规定.另外,设计框架部分结构应设计成quot;强柱弱梁、强节点弱构件quot;体系,且柱板件的宽厚比限制应严于框架梁.

(2)框架柱的长细比宜小于等于150;当柱轴压比大于0.2时,宜小于等框架柱、梁的板件宽厚比:总高度不大于40m的多层框架部分和单层排架部分,可按单层钢结构厂房规定即《建抗规》第9.2节执行.总高度大于40m的多层框架部分,可按多、高层钢结构房屋规定即《建抗规》第8.3节执行.框架梁、柱的最大应力区,翼缘截面不得出现突变,其上、下翼缘均应设置侧向支承.

(3)支撑构件的长细比宜小于等于150,支撑构件的板件宽厚比《建抗规》H.2.8条规定quot;应符合本规范第9.2节的要求quot;.然而,9.2节中并没有相关规定.文献8中规定quot;为避免支撑构建在反腐和在下出现疲劳断裂等问题,板件宽厚比应符合表14.1中A类截面的宽厚比规定quot;即《建抗规》中条文解释9.2.14条表6中A类截面的宽厚比规定.当柱间支撑承担不小于70%的楼层剪力时,支撑构件的应力比不宜大于0.65.

(4)主厂房柱脚应按现行《建筑抗震设计规范》中单层钢结构厂房的规定执行,宜采用插入式、埋入式或外包式柱脚.

8.结语

主厂房是火电厂的生产中枢、对整个电厂的安全起到举足轻重的作用.本文以某1000MW火力发电厂主厂房为例介绍了钢结构主厂房的结构方案布置、抗震设防标准、荷载的输入及组合、强弱支撑框架的判别以及主厂房的抗震措施,希望能给类似的工程提供有益参考.

[1]GB 50017-2003.钢结构设计规范.北京:中国计划出版社,2003.

[2]GB 50011-2010.建筑抗震设计规范(2016版).北京:中国建筑工业出版社,2016.

[3]JGJ 99-98.高层民用建筑钢结构技术规程.北京:中国建筑工业出版社,2016.

[4]DL 5022-2012.火力发电厂土建结构设计技术规定.北京:中国计划出版社,2012.

[5]邢泰高,欧添雁,邹辉阳.土耳其钢结构主厂房抗震设计探讨[J].武汉大学学报(工学版),2012,31(S1):21-26.

[6]申兆武.大型火电厂主厂房纵向带边框柱剪力墙抗震性能研究[D].西安:西安建筑科技大学,2004.

[7]史宏伟.火电厂钢结构主厂房侧移类型判定方法的探讨[J].武汉大学学报(工学版).2010年8月第43卷增刊,73-76.

[8]建筑抗震设计规范(GB5011-2010)统一培训教材.北京:地震出版社,2010.

[9]GB50260-2013.电力设施抗震设计规范.北京:中国计划出版社,2013.

李灵聚(1984-),男,中国成达工程有限公司;研究方向:结构设计.

梁焕新(1971-),女,成都大学建筑与土木工程学院;研究方向:结构教学与研究.

The Research of The Power House Steel Structure in Thermal Power Plant

Li Lingju1, Liang Huanxin2
(1. Chengda Engineering co., LTD in China, Sichuan, 610041 2. School of Architecture and civil engineering Chengdu University, Sichuan,610106)

While the rapid development of electric power industry in China ,the span and height of the main power house increased with the increasing of the power plant unit capacity, the steel structure with flexible layout, high strength,light weight, quickly construction, good anti-seismic performance advantages , has become the main structure of the main plant of large thermal power plants. Especially in the earthquake-proof, it has become the preferred form of construction of large thermal power plant. In this paper, a 1000 MW coal-fired power plant is taken an example to discuss the power plant structure layout, loads and the combinations, seismic fortification standard, lateral type judgment and anti-seismic measures etc.

power house steel structure;loads;displacement;seismic fortification category;seismic measures

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