地震区某项目单框架-排架结构体系合理性论证

戴文峰

中国轻工业长沙工程有限公司，湖南 长沙 410114

我国的火力发电厂基本上都是采用炉前煤仓布置方案，汽机间、除氧间、煤仓间、锅炉按顺序布置，组成“四列式”主厂房结构体系。随着工艺流程的改善以及降低工程造价要求的提出，火力发电厂，尤其是在125WM 以下的小型火力发电厂中，汽机间、除氧煤仓间按顺序布置，使主厂房形成“三列式”单框架-排架结构体系。这种布置方式具有各功能区分布合理、工艺流程畅通、运行管理方便、工程造价较低等优点，从而被广泛采用。但是单框架-排架结构体系的抗震性能存在先天不足，在设计的审查过程中受到现行规范中某些条款的限制，要如何论证其合理性，存在不少难以把握的问题。特别是抗震设计规范中关于“单框架”的理解，在施工图审查时有被提出违反强制条文的风险。这是火力发电厂中主厂房结构体系关于抗震设计普遍关注的问题。

1 单框架-排架结构体系的计算

1.1 布置方案及基本参数

某项目火力发电厂主厂房采用“三列式”布置，由A列柱+汽机间钢屋面+BC 跨（除氧煤仓间）组成单框架-排架结构体系。主厂房纵向为9 跨7m 的框架，汽机间跨度24m，除氧煤仓间跨度12m。屋面钢梁下弦标高21.5m；电缆夹层标高4.5m；运行层标高8m；除氧层标高15.5m；煤仓间标高28m；屋面标高33m。

基本设计参数：抗震设防烈度为6 度，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类；基本风压为0.35kPa，地面粗糙度为B 类；汽机间检修吊车及其他设备荷载、各层楼面活荷载标准值均取自工艺专业提供的资料以及《火力发电厂土建结构设计技术规程》（DL 5022—2012）。

1.2 计算过程

为配合项目施工图设计，主厂房主要采用PKPM 软件计算，并采用MIDAS 有限元软件做辅助分析，计算模型见图1。

1.3 计算结果

图1 主厂房计算模型

（1）最大层间位移角及位移比。主厂房结构体系在X向、Y 向地震作用及风荷载作用下的最大层间位移、位移比，通过PKPM 系列软件和MIDAS 有限元分析软件进行计算，结果见表1、表2。从表1、表2 中可以看出，该结构最大层间位移角均满足规范不大于1/550 的要求，且最大位移与平均位移比值为1.0 ～1.5，平面布置属于扭转不规则，但满足规范要求。

表1 最大层间位移角及位移比PKPM 计算结果

表2 最大层间位移角及位移比MIDAS 计算结果

（2）周期比。主厂房整体模型振型周期见表3，以扭转为主的第一自振周期与以平动为主的第一自振周期之比，通过PKPM 计算结果为1.3089/1.8920=0.692，通过MIDAS计算结果为1.2550/1.8474=0.679，均小于高层建筑混凝土结构技术规程中的相关要求，结构平面布置较规则。

2 单框架- 排架结构体系抗震设计的合理性判断

2.1 是否符合现行抗震设计规范中的条款

主厂房横向计算模型可以简化为除氧煤仓间单框架和汽机间轻钢屋面组成的框-排架结构形式。由于钢屋面对混凝土框架结构的约束作用有限，主厂房横向结构已经形成实质意义上的单框架结构，且高度达到38m。这样的结构形式似乎不符合抗震设计规范中“高度大于24m的丙类建筑，不应采用单框架结构；高度不大于24m 的丙类建筑不宜采用单框架结构”的规定。

表3 振型周期计算结果

但是，在工业建筑中，为满足大型设备及工艺流程的布置要求，结构构件的抗震设计不可避免地会遇到特定问题。与一般建筑工程不同，这些特定问题一般在相关的行业规范中予以规定，故抗震设计规范中特地注明“行业有特殊要求的工业建筑，其抗震设计应按有关专门规定执行”。而且针对火力发电厂的结构特点，我国电力行业标准《火力发电厂土建结构设计技术规程》（DL 5022—2012）中规定“发电厂多层建（构）筑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”。通过对规范条文的深入理解和合理判断，行业标准中并没有简单机械的套用抗震设计规范中关于单框架结构的条款，也没有完全否认这种结构形式。

2.2 是否影响结构体系的抗震承载力

目前，我国房屋建筑抗震采用三水准设防，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”，并采用二阶段设计方法予以实现。从抗震承载力设计方法来看，单跨框架结构与多跨框架结构是没有差别的，采用的是同一种标准，其结构构件在相同荷载和工况下的承载能力是一样的。但是，从结构体系的整体结构安全性来看，多跨框架结构具有更多的冗余度，更高的安全性，这就是结构体系鲁棒性上的差异。结构体系的鲁棒性是以避免结构垮塌为目标的整体结构安全性，三水准设防中的“大震不倒”即属于鲁棒性的范畴。结构体系主要由梁、板、柱、墙等构件组成，它们对结构体系鲁棒性的贡献不同，其中，贡献最大的称为关键构件，如框架结构中的框架柱。如果这些关键构件遭到破坏，则会引起结构体系的坍塌或大面积的破坏。特别是单框架结构中的框架柱，如果在地震作用下被损坏，带来的后果是毁灭性的。因此，在抗震设计时，除了要求其满足承载力验算，还应留有一定的安全储备，并且适当加强抗震构造措施。

从近年来的震害情况来看，工业建筑中的单跨框架结构破坏情况并不明显。因为工业建筑在生产运行并处于最不利荷载工况时，恰巧发生地震的概率较小，结构构件的承载力安全储备较多。而且火力发电厂主厂房可以通过调整框架柱的截面大小，使结构体系在X、Y 两个方向的抗侧力刚度接近，尽可能地减小结构体系的扭转效应，减小了单框架结构的不利因素。

3 提高结构安全度的措施

（1）在满足工艺布置的前提下，不推荐采用“三列式”单框架-排架结构体系，结构布置成多跨框架或剪力墙，其中，多跨框架最大布置间距见表4。

表4 多跨框架之间的最大间距 单位：m

（2）结构承载力计算时，合理预留结构构件的承载力安全储备，特别是单框架中的框架柱，建议控制其轴压比值不大于0.7。设计过程中结合工艺布置，力求竖向结构构件连续布置，减少各层间刚度的差异，避免形成薄弱层。

（3）加强结构构件的抗震构造措施，建议框架柱配箍率提高30%左右，增强单框架结构体系的延性和抗侧刚度。

（4）由于工艺布置的需求，框架柱在局部可能因夹层、错层等因素产生短柱，建议在短柱范围内通长加密箍筋，并按构造要求配置对角斜向钢筋。

（5）汽机间钢梁与柱牛腿的连接，应采取加强措施。在高烈度抗震设防区，可在框架柱中预埋型钢，然后与汽机间钢梁焊接，形成刚性连接。

4 结束语

综上所述，火力发电厂中主厂房采用单框架-排架结构体系是安全的，其计算结果能满足国家相关规范规程的要求。但由于其抗震鲁棒性低，在多次审查会议中，专家均建议在高烈度抗震设防区不采用这种结构体系，在低烈度抗震设防区，如果考虑到工艺布置及工程造价方面的因素，主厂房可采用“三列式”布置，而且应在方案设计时，与审图中心事先沟通，避免施工图审查时因单框架而一票否决的情况发生。