发电厂土建结构概念和体系优化

王学民

（中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，杭州 310012）

1 发电厂结构概念和体系优化

先进的设计思想可以通过概念设计成分来展现[1]。大型火力发电厂是一个复杂的系统工程，各个局部单独进行优化的结果是形成的总体并不优化。一个工程项目的优化必须从大系统的全局进行，才能达到真正的优化效果，这就是工程系统全局优化设计。

工程系统全局优化的概念适用于工程项目全寿命的每一个阶段，应该在每个阶段都进行该阶段的全局性优化，这就是工程全系统全寿命优化。例如烟囱结构，不仅要考虑初期建设的费用，还要考虑到将来的维修费用；煤场的形式不仅要考虑初期建设的投入，还要考虑将来的运行成本。可见，结构的优化设计，不仅仅是单纯的配筋率问题，配筋率最优并不意味着结构设计的最优。

广义而言，土建结构工程优化有4个层次[1]：结构功能的优化、结构选型的优化、结构设防荷载的优化和设防荷载条件下的最小造价。结构设计应该贯彻“功能合理、荷载取准，充分发挥材料强度”的设计原则，合理布置结构构件，做到单体结构的造价最优。

结构的功能对结构的造价影响很大，功能过高会造成浪费，过低则会影响整个工程将来的运行。例如，对大跨空间结构，最重要的是确定结构所需覆盖的空间尺寸；对栈桥结构最重要的是确定各跨的跨度及荷载；对高耸结构（烟囱）最重要的是确定它的高度和刚度，合理考虑其抗震性能[2]。对于辅助建筑，可以考虑多个建筑的合并建设，这会影响到整个工程的造价。

在确定结构的功能后再进行选型优化。例如大跨度空间结构的煤棚，可采用多种类型的结构方案，如拱形结构、悬索结构、网架结构、薄壳结构和薄膜结构等。对于栈桥，可选用梁式结构、拱形结构、悬索结构和斜拉结构等；对于烟囱，可选用钢塔架结构、混凝土圆筒结构等；对于主厂房，可选用钢结构、钢筋混凝土结构等。

对于发电厂结构，荷载的选取关系到结构的造价和安全性。由工艺专业提供的荷载，往往会不准确从而影响到结构设计。

确定结构的形式和荷载后，就可以对结构进行计算分析，合理布置结构构件，做到单体结构的造价最优。对于复杂结构，可应用大型通用有限元软件等来进行计算分析[3]。

2 主厂房结构概念和体系优化

2.1 结构功能的优化

结构的功能对其造价影响很大，传统四列式主厂房具有荷载大，刚度、质量分布不均匀，错层短柱多的结构特点。这些问题单从结构的角度很难解决，只有与工艺布置结合才能设计出完美的结构。为此，选定侧煤仓间的工艺布置方案，总体布置见图1，将结构体系分为2部分：汽机房消除了四列式布置的短柱、错层的结构等不利因素；侧煤仓间结构整齐，使得结构的刚度、质量分布均匀。

2.2 结构体系优化

图1 侧煤仓主厂房布置

影响汽机房结构布置的主要因素是温度，即2台百万机组主厂房要设几条温度缝的问题。温度问题长期以来一直困扰着超长混凝土结构设计，虽然已作了大量研究，但至今没有很好地解决。目前，越来越多的在建火力发电厂百万机组主厂房采用现浇钢筋混凝土框架结构，其主厂房每台机组一般至少有9个跨度，长度90 m左右。现行的《混凝土结构设计规范》规定：室内现浇时框架结构的最大适宜伸缩缝间距为55 m，当有充分依据和可靠措施时可适当增加间距。若设置伸缩缝则需采用双柱，在增加工程造价的同时还给工艺布置带来一系列问题。此外，变形缝的设置还会增加建筑处理方面的难度。

有些工程采用2台机组设2条伸缩缝，根据工艺布置最大程度地减小了结构计算单元的长度，但是2个计算单元还是超出了规范的长度限制，并没有完全解决温度问题。本文提出采用底层内置伸缩缝的方法解决温度问题[4-5]，具体做法见图2。

2.3 结构设防荷载的优化

荷载的选取关系到发电厂结构的造价和安全性，采用三维设计平台上开发的荷载传导软件，可以由工艺和土建联合确定荷载的传导形式，为发电厂结构的合理优化设计提供了平台。

2.4 风荷载设计

侧煤仓间处于汽机房、锅炉房、电除尘支架和烟囱组成的围合空间内，如图3所示。侧煤仓间锅炉方向的风荷载考虑到锅炉的遮挡作用，其风压高度变化系数应予以折减，参照《建筑结构荷载规范》中对于山间盆地、谷地等闭塞地形风压高度变化系数折减的规定[4]，取修正系数η=0.75～0.85。

图2 底层单柱伸缩缝做法

图3 侧煤仓间所处空间位置

考虑到锅炉并非完全封闭，选用修正系数0.85，其作用等于将风荷载减小了15%。

汽机房与锅炉房净距离满足抗震缝要求，2个建筑物基本合并。确定汽机房横向风荷载体形系数时，应与锅炉整体考虑。考虑到锅炉并非完全封闭，将重叠部分风荷载折减0.7，相当于总体风荷载体形系数由1.3变为0.95，减小了27%。

以上分析是研究性分析，不能直接用于施工图设计。施工图设计时要考虑风荷载折减，要进行更仔细的分析，必要时需进行风洞试验。

3 建筑桩基概念及优化

当天然地基承载力不足时，发电厂大量使用桩基处理，桩基的优化一方面可通过合理的计算[9]，另一方面可通过提高桩基的承载力来完成。

对于灌注桩，桩身承载力由钢筋承载力和混凝土承载力两部分组成[6-7]，对桩顶5倍直径范围内加密箍筋，以增加纵向配筋强度。若按HRB335级钢筋考虑，取配筋率为0.65%，对于直径800 mm灌注桩，考虑钢筋承载力可提高承载力14%；如果采用HRB400级钢筋，将进一步提高承载力20%。

对于由桩身强度控制承载力的桩基，比如嵌岩桩，考虑到嵌岩费用和工时较多，设计应考虑充分发挥基岩和桩身材料的性能，做到桩身抗压强度与岩土侧阻端总承载力匹配，桩身混凝土强度不宜低于C40[8]。

根据《建筑地基基础设计规范》要求：水下灌注混凝土的桩身混凝土强度等级不宜高于C40。在混凝土各项性能有保障的前提下，可将浇筑混凝土强度等级达到C45[7]。

通常发电厂灌注桩都采用C30混凝土。在盐渍土地区的一些工程中，用C40灌注桩能提高桩身的耐腐蚀性[10-11]。一些大型公用建筑[20]和桥墩桩基[12]也采用了C40混凝土灌注桩。与C30混凝土的灌注桩相比，桩身采用C40混凝土，不仅可以提高桩身的耐久性，同时还可提高了33%的桩基承载力。

4 煤系统建（构）筑物概念及优化

4.1 碎煤机室

传统的碎煤机基础采用弹簧隔振基础，直接布置在大梁上，四周用变形缝与楼板隔开，如图4所示。楼板上需开设很大的洞口，主体结构的框架梁不能拉通，结构上需要用牛腿支承大梁来承担隔振平台，局部出现短柱及复杂的梁系，承重结构设计复杂。

图4 碎煤机隔振平台优化

基于传统隔振方式的缺点，与工艺专业配合对隔振平台进行简单改进，将隔振平台上移至运转层之上。这样，主体框架梁可以拉通，隔振平台的荷载直接传给主体框架梁柱，受力简单明确。该方法目前已应用于印尼苏纳拉亚等多个发电厂的实际工程中。

4.2 栈桥概念及优化

输煤栈桥支架部分考虑以钢筋混凝土结构为主，支架横向根据栈桥高度，必要时设横向短肢；纵向地震水平力一般通过栈桥底端设置来承担。栈桥桥面部分跨度较小时采用现浇混凝土结构，跨度较大时采用钢桁架。栈桥设计时应合理考虑风荷载的作用[13]。抗震地区的栈桥，应注意其与周边转运站的连接构造[14]。栈桥结构的优化重点是纵向桁架结构，可考虑采用以下思路：

（1）纵向采用连续桁架[15]。计算分析表明，栈桥纵向采用24 m连续桁架经济效益最优，与单跨分离式桁架相比，节约钢材20%以上。其缺点是施工困难。

（2）常规角钢桁架由于采用大量的节点板，钢材有较大的浪费。计算表明，单跨桁架采用H型钢无节点板桁架比有节点板桁架节约钢材20%。纵向上下弦杆采用H型钢无节点板桁架[16-20]。

（3）纵向桁架采用下沉式三角桁架。杆件均采用钢管，不设节点板。分析表明，与常规单跨桁架相比，可节约钢材20%。

（4）支承钢筋混凝土框架有条件采用下大上小的梯形，更加经济合理。

5 干灰库概念及优化

常见的干灰库是钢筋混凝土筒仓结构。储灰层筒壁混凝土水平抗拉，配筋以裂缝控制，不能充分发挥材料强度。针对干灰库结构的受力特点，储灰层筒壁采用钢板结构。按常规灰库侧壁内外22@100的水平方向配筋，不计竖向钢筋，仅水平钢筋折算钢板厚度为7.59 mm，估算采用钢板后钢材强度仍有富余，除节省混凝土外，还可节省钢材。

6 综合管架概念及优化

目前，发电厂综合管架常用的结构型式有：双向钢结构,纵横向钢筋混凝土结构及横向钢筋混凝土框架、纵向钢梁结构。

各型式都存在各自的缺点：双向钢结构的造价过高；纵横向钢筋混凝土结构施工相对困难，工期较长；横向钢筋混凝土框架、纵向钢梁结构，这是最常见的结构形式，但其不足在于混凝土框架的材料强度往往不能充分发挥，框架柱多采用构造配筋，纵向钢梁受弯，一些情况下是挠度控制，钢材强度未能充分发挥。

综合管架横向钢筋混凝土框架纵向钢结构，关键在于优化纵向钢结构。如图5所示，可考虑以下结构优化措施：

图5 综合管架优化措施示意

（1）增大跨度，用足柱的轴压比，并综合考虑用足地基基础的承载力。充分发挥钢筋混凝土框架的材料强度。

（2）采用纵向钢桁架，充分发挥钢材的高强度；与纵向钢梁相比，可节约钢材10%。

（3）纵向采用钢拉杆结构，充分发挥钢材的抗拉强度。与纵向钢桁架相比，可节约钢材10%。

7 结语

根据全寿命整体优化设计概念，贯彻最优设防荷载下的最小造价设计理念，力图充分发挥材料强度。文中对火力发电厂主厂房及全场主要土建结构进行了概念性优化分析，结果表明：采用C40混凝土灌注桩，节约全厂桩基费用33%；综合管架采用横向钢筋混凝土纵向钢拉杆结构，与传统纵向钢梁结构相比节约钢材20%；干灰库分析了传统结构、预应力结构和储灰层钢板结构，从节约材料的角度钢板结构最优，从节约投资角度，传统结构最优；输煤栈桥采用下沉式三角钢管桁架，与传统桁架相比，节约钢材20%；对碎煤机室的隔振台座布置进行了革新，新的结构形式的主体结构受理合理，且更加经济。