使用PKPM軟件進(jìn)行火電廠主廠房框架計(jì)算的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)

張鈺芝

（新疆電力設(shè)計(jì)院 新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

主廠房是火力發(fā)電廠的核心，目前，火電機(jī)組結(jié)構(gòu)型式仍較多采用A排柱鉸結(jié)于除氧煤倉(cāng)間框架上的鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)。本文根據(jù)以往工程及筆者的經(jīng)驗(yàn)，以及國(guó)電庫(kù)車發(fā)電有限公司二期（2×330MW）擴(kuò)建工程機(jī)組為例總結(jié)一些在使用PKPM軟件進(jìn)行主廠房框架計(jì)算的特點(diǎn)，并總結(jié)出使用使用時(shí)應(yīng)注意的的一些經(jīng)驗(yàn)。

1 概述

庫(kù)二工程主廠房采用除氧煤倉(cāng)間雙框架結(jié)構(gòu)，橫向汽機(jī)房跨度27m，除氧間跨度8m,煤倉(cāng)間跨度11.5m。汽機(jī)房縱向15跨，除氧、煤倉(cāng)間15跨，跨距9m。#1、#2機(jī)雙柱間設(shè)抗震縫?？蚣茼敻?0.900，局部（兩爐間集控樓內(nèi)伸部分）高度相應(yīng)調(diào)整?？蚣芎蜖t架、集控樓間用鉸結(jié)平臺(tái)連接,故計(jì)算時(shí)僅考慮垂直荷載傳遞。整個(gè)廠區(qū)部分設(shè)計(jì)參數(shù)如下：安全等級(jí)一級(jí) （《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定 （DL 5022-93）》4.1.2條）；中硬場(chǎng)地土，II類場(chǎng)地；基本設(shè)防烈度8度，基本風(fēng)壓0.64kN/m2。計(jì)算程序采用PKPM軟件（2010年版）。以下按程序的數(shù)據(jù)輸入和計(jì)算結(jié)果分析兩部分詳述。

2 數(shù)據(jù)輸入

（1）荷載輸入

A.恒載計(jì)算時(shí)有兩個(gè)方法：

a.可按樓面及屋面的建筑做法詳細(xì)清荷；

b.可只算建筑面層，樓板及屋面板結(jié)構(gòu)自重由程序自動(dòng)計(jì)算。

B.樓面及屋面均布活載按《土規(guī)》表2.2.2中計(jì)算主框排架項(xiàng)選用，考慮活載的后三項(xiàng)系數(shù)不同，可將活載分為如下七組：

*按《土規(guī)》表 2.2.2中計(jì)算主框排架項(xiàng)選用活載，活載＞4kN/m2取 1.3，活載＜4kN/m2取 1.4。

汽機(jī)大平臺(tái)檢修荷載區(qū)是設(shè)備檢修臨時(shí)堆放場(chǎng)所，具體位置及荷載大小應(yīng)由工藝專業(yè)提供，在本工程中需注意的是：部分A、B排汽機(jī)房懸臂平臺(tái)也在檢修區(qū)內(nèi)。

本工程計(jì)算時(shí)考慮了如下兩項(xiàng)施工荷載：（1）除氧器水箱吊裝時(shí)在2、16軸除氧間大梁上的臨時(shí)荷載52t，此時(shí)恒載僅考慮結(jié)構(gòu)層自重。（2）發(fā)電機(jī)定子吊裝時(shí)吊車輪壓的變化，由于吊裝時(shí)定子居汽機(jī)房中，所以實(shí)際情況吊車輪壓反而比最大輪壓小，計(jì)算簡(jiǎn)圖詳見(jiàn)吊車荷載部分圖1。以上兩項(xiàng)在計(jì)算時(shí)各構(gòu)件結(jié)構(gòu)安全等級(jí)降低一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取為1.0。

吊車荷載以國(guó)電庫(kù)車發(fā)電有限公司二期 （2x330MW）擴(kuò)建工程為例：汽機(jī)房設(shè)兩臺(tái)輕級(jí)80/20t吊車,每臺(tái)8個(gè)輪（輪距及車距見(jiàn)計(jì)算簡(jiǎn)圖），各基本參數(shù)如下：

吊車總自重 G=80.8t 小車自重 g=23.964t

最大輪壓 Pmax=33.8t 最大起重量 Q=100t

最小輪壓（Pmin）由 4*（Dmin+Dmax）=（G+Q） 求得，為11.4t。

按《土規(guī)》規(guī)定對(duì)兩臺(tái)吊車荷載采用：

縱向框架計(jì)算簡(jiǎn)圖不再詳示，其計(jì)算公式如下：

需注意的是n為所有剎車輪的和（本工程取為2，每側(cè)一個(gè)），ZL均分于A、B排縱向框架上。

圖1

以最大輪壓為例：

圖2

在進(jìn)行橫向框架荷載計(jì)算時(shí)縱向梁可按簡(jiǎn)支梁考慮（不考慮平面外彎矩），反之亦然。

（2）計(jì)算長(zhǎng)度系數(shù)和地震參數(shù)輸入

框、排架柱的計(jì)算長(zhǎng)度詳見(jiàn)《土規(guī)》3.1各項(xiàng)。須注意的是B軸有幾榀框架柱在21m層上僅通過(guò)網(wǎng)架和A排柱連接，而和C排柱無(wú)任何框架梁連接，此時(shí)21m層以上B排柱應(yīng)按排架柱取計(jì)算長(zhǎng)度。

地震設(shè)計(jì)的設(shè)防準(zhǔn)則可歸結(jié)為三點(diǎn)：①小震不壞；②中震可修；③大震不倒。其對(duì)應(yīng)的烈度水準(zhǔn)分別為：多遇烈度，基本烈度和罕遇烈度。對(duì)①通過(guò)結(jié)構(gòu)彈性地震的強(qiáng)度驗(yàn)算來(lái)滿足，對(duì)②通過(guò)抗震的構(gòu)造措施來(lái)滿足，對(duì)③通過(guò)結(jié)構(gòu)薄弱層的彈塑性變形驗(yàn)算來(lái)滿足。地震計(jì)算的各參數(shù)輸入，都是基于以上三條的。

和①、③相關(guān)的參數(shù)有：特征周期Tg,結(jié)構(gòu)自振周期T，水平地震影響系數(shù)αmax（①、③取值不同）。Tg是由場(chǎng)地類別和近、遠(yuǎn)震決定的；T由程序計(jì)算得到，涉及到為考慮填充墻的周期折減系數(shù)，《土規(guī)》規(guī)定可不考慮非抗震墻體的剛度（9.4.2.1 條），考慮到填充墻的數(shù)量較多，偏安全的取為 0.8；αmax相應(yīng)于驗(yàn)算內(nèi)容和基本設(shè)防烈度取用如下：

基本設(shè)防烈度驗(yàn)算內(nèi)容6 7 8（庫(kù)二） 9①小震不壞 0.04 0.08 0.16 0.32②中震可修（基本不用，通過(guò)構(gòu)造滿足） 0.12 0.23 0.45 0.90③大震不倒 0.25 0.50 0.90 1.40

對(duì)中震可修主要相關(guān)參數(shù)為抗震等級(jí)?？蚣艿目拐鸬燃?jí)應(yīng)按設(shè)防烈度和框架高度決定。須注意的是重要電廠的主廠房框架設(shè)防烈度應(yīng)在基本設(shè)防烈度的基準(zhǔn)下，按 《土規(guī)》表9.1.4作調(diào)整，取用調(diào)整后的設(shè)防烈度來(lái)決定抗震等級(jí)，這就是提高一度設(shè)防，對(duì)應(yīng)于構(gòu)造抗震等級(jí)。但當(dāng)進(jìn)行強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件等相關(guān)于 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GBJ11-89）》6.2節(jié)所涉及的內(nèi)容時(shí)，基本設(shè)防烈度不再調(diào)整，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的抗震等級(jí)為計(jì)算用抗震等級(jí)。以庫(kù)二工程4軸框架（高40.25m）為例，抗震等級(jí)決定方式如下：

綜上，程序所需基本地震參數(shù)為：

基本設(shè)防烈度 （8） 場(chǎng)地類型 （II）

近、遠(yuǎn)震 （遠(yuǎn)） 計(jì)算抗震等級(jí)（一級(jí)）

構(gòu)造抗震等級(jí) （一級(jí)）.考慮填充墻自振周期折減系數(shù)（0.8）

（3）數(shù)據(jù)輸出

a.柱腳荷載及框架柱配筋特點(diǎn)。

準(zhǔn)確的柱腳荷載是進(jìn)行地基處理和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的必要條件，根據(jù)對(duì)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)文件的分析，每榀框架可取代表性的三組荷載。以5軸C排柱柱腳為例，所取組合如下：

其中①、②用于計(jì)算承載力，③用于計(jì)算地基變形。①在所有情況下都為靜力荷載組合，在提出柱腳荷載時(shí)，必須提出②是否是地震作用，以便將地基或單樁承載力乘以相應(yīng)的系數(shù)（《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ 7-89）3.2.2 條及《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-94）5.2.1.2 條），在庫(kù)二工程基本烈度為8度的情況下，②都為地震組合，由于此時(shí)單樁承載力乘以1.25，因此樁數(shù)基本由①?zèng)Q定。現(xiàn)提出幾榀框架在①情況下的柱腳荷載（kN），以資參考：

注：除氧器連水520t/每個(gè)，煤斗連煤600t/每個(gè)。

軸壓比是防止柱脆性破壞，保證柱有一定延性能力的重要參數(shù)。 根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50010-2010）》8.4.8條規(guī)定，所取N應(yīng)為考慮地震組合的最大值Nmax,根據(jù)計(jì)算結(jié)果①對(duì)應(yīng)的N比上述Nmax大的不多，偏安全可?、夙?xiàng)的荷載組合。

b.地震周期及層間位移

庫(kù)二工程框架自振周期（僅取第一振型）計(jì)算結(jié)果舉例如下：3 軸（高 49.8m）T1=1.83s；4 軸（高 42.5m）T1=1.53s；5 軸（高 42.5m）T1=1.48s；B 排柱（高 34.6m）T1=2.04s；C 排柱（1～3高 49.8m,其余高 42.5m）T1=1.76s。 根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，縱向框架自振周期大約2s左右較為合適，以上B、C排柱的自振周期說(shuō)明了本工程縱向采用純框架抗震是完全可行的。

抗震變形驗(yàn)算包括小震下的彈性層間變形驗(yàn)算和大震下薄弱層變形驗(yàn)算。對(duì)于后者，本工程框架滿足不需進(jìn)行計(jì)算的條件（抗震規(guī)范4.5.2條）。對(duì)于前者，以5軸煤倉(cāng)間各層為例，位移曲線（第一振型）曲線如左。由圖可見(jiàn)主振型為典型的剪切曲線，彈性層間相對(duì)變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于規(guī)范所要求的1/450。

另外，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，第二、第三振型的位移量遠(yuǎn)小于第一振型，因?yàn)榭偽灰屏繛槿咂椒胶拖嗉娱_(kāi)根，所以計(jì)算中可不考慮第二、第三振型的位移量。

3 調(diào)整計(jì)算結(jié)果

目前為止，國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)用PKPM軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)非常普遍，盡管使用PKPM軟件可免去大量人工計(jì)算，加快出圖速度，但筆者通過(guò)多項(xiàng)多層框架工程的設(shè)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，多層框架的電算結(jié)果仍需進(jìn)行人工調(diào)整，有些梁、柱的最后配筋要憑設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)而定。這種不確定性造成有的設(shè)計(jì)調(diào)整放大過(guò)于保守，有的不調(diào)整時(shí)又嚴(yán)重不足。為此，下面就框架電算結(jié)果的人工調(diào)整問(wèn)題進(jìn)行探討，并且提出建議，供大家在以后的工作和學(xué)習(xí)中參考。

（1）框架梁、柱截面尺寸的選擇

設(shè)計(jì)人員首先根據(jù) 《火力發(fā)電廠土建技術(shù)規(guī)范》中表3.1.3《主廠房框排架的梁柱截面尺寸》中建議的梁、柱截面尺寸的取值范圍，結(jié)合以往工程及自己的經(jīng)驗(yàn)先對(duì)所有構(gòu)件的大小初步確定一個(gè)尺寸。此時(shí)須注意盡可能使柱的線剛度與梁的線剛度的比值大于1。這是為了實(shí)現(xiàn)在罕遇地震作用下，讓梁端形成塑性鉸時(shí)，柱端仍可處于非彈性工作狀態(tài)而沒(méi)有屈服，但節(jié)點(diǎn)還處于彈性工作階段的目的。即“強(qiáng)柱弱梁強(qiáng)節(jié)點(diǎn)”。將初步確定的尺寸輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行試算，一般可得到下述三種結(jié)果：（1）部分梁柱僅為構(gòu)造配筋。此時(shí)可根據(jù)電算顯示的梁的裂縫寬度和柱的軸壓比大小適當(dāng)減小梁、柱的截面尺寸再試算；（2）部分梁顯示超筋或裂縫寬度＞0.3mm，部分柱的軸壓比超限或配筋過(guò)大（試算時(shí)可控制柱的配筋率不大于3%）。此時(shí)可適當(dāng)放大這部分梁、柱的截面尺寸再試算；（3）梁、柱的截面尺寸均合適，勿需調(diào)整，此時(shí)要進(jìn)一步觀察梁、柱的配筋率是否合適。

（2）梁、柱的適宜配筋率

原則：掌握配筋率“適中”為宜。這個(gè)“適中”指在規(guī)范規(guī)定的區(qū)域內(nèi)取中間段，其值約相當(dāng)于定額含鋼量?！痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定框架梁的縱向受拉鋼筋最小配筋率為0.2%，最大配筋率為2.5%；框架柱的縱向鋼筋配筋率區(qū)間為0.6%～5%。

根據(jù)以往工程及自己的經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為對(duì)于框架梁，其縱向受拉鋼筋的配筋率取0.4%～1.5%較適宜。對(duì)于框架柱，其全部縱向受力鋼筋的配筋率取1%～3%較適宜。梁、柱配筋率的上限在試算在試算階段宜留有一定余地，因?yàn)橄乱徊苛?、柱配筋的調(diào)整還需要一定空間。

（3）框架梁配筋的調(diào)整

框架梁顯示的配筋是梁按強(qiáng)度計(jì)算的配筋量，調(diào)整的目的是解決梁的裂縫寬度超限和“強(qiáng)剪弱彎”的問(wèn)題。

①縫寬度超限問(wèn)題

在配筋率一定時(shí)，選用小直徑的鋼筋可以增加混凝土的握裹面積、減少梁的裂縫寬度。增大配筋率是減小梁裂縫寬度的直接方法。提高混凝土的強(qiáng)度等級(jí)，亦可減小梁的裂縫寬度，但影響較小。設(shè)計(jì)人如不注意框架梁的裂縫寬度是否超限即出施工圖，這樣的圖紙存在有不符合規(guī)范的缺陷。在施工結(jié)束后的長(zhǎng)期時(shí)間范圍內(nèi)，也存在很大的安全隱患。仔細(xì)檢查梁的裂縫寬度，如果改用小直徑的鋼筋后梁的裂縫寬度仍然超限，就要增加梁的配筋或加大梁的截面尺寸，調(diào)整至滿足規(guī)范要求。

②強(qiáng)剪弱彎問(wèn)題

框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)力求做到在地震作用下框架梁的梁端斜截面受剪承載力應(yīng)高于正截面受彎承載力，即“強(qiáng)剪弱彎”。

根據(jù)以往工程及自己的經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為具體在調(diào)整梁的配筋時(shí)，可做以下幾項(xiàng)調(diào)整：

a.梁端負(fù)彎矩鋼筋可不放大（系數(shù)采用1）；

b.梁的跨中受拉鋼筋可放大 1.1～1.3 倍；

c.梁端箍筋的直徑可增加2mm；

d.按構(gòu)造要求對(duì)于跨度大于6m的框架梁設(shè)彎起鋼筋。

（4）框架柱配筋的調(diào)整

框架柱的配筋率一般都很低，電算結(jié)果往往是構(gòu)造配筋即可。按柱的構(gòu)造配筋率0.8%配筋，只相當(dāng)于定額指標(biāo)的1/2～1/3，有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人一般是不會(huì)采用的。因?yàn)槭艿卣鹱饔玫目蚣苤绕涫墙侵痛箝_(kāi)間、大進(jìn)深的邊柱，一般均處于雙向偏心受壓狀態(tài)，而電算程序則是按兩個(gè)方向分別為單向偏心受壓的平面框架計(jì)算配筋，結(jié)果往往導(dǎo)致配筋不足。

根據(jù)以往工程及自己的經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為框架柱配筋的調(diào)整可做以下幾項(xiàng)：

a.應(yīng)選擇最不利的方向進(jìn)行框架計(jì)算，也可兩個(gè)方向均進(jìn)行計(jì)算后比較各柱的配筋，取其教大值，并采用對(duì)稱配筋。

b.調(diào)整柱單邊鋼筋的最小根數(shù)：柱寬＜=450mm時(shí)3根，450＜柱寬＜=750mm時(shí)4根，750mm＜柱＜=900mm時(shí) 5根。（注意：柱單邊配筋率不小于0.2%）

c.將框架柱的配筋放大 1.2～1.6 倍。 其中角柱放大大些（不小于 1.4 倍），邊柱次之，中柱放小些（1.2 倍）

d.由于多層框架時(shí)電算常不考慮溫度應(yīng)力和基礎(chǔ)不均勻沉降問(wèn)題，當(dāng)多層框架水平尺寸和垂直尺寸較大以及地基軟弱土層較厚或地基土層不均勻時(shí)，再適當(dāng)放大一點(diǎn)框架柱的配筋也是可以理解的，具體放大多少，就要由設(shè)計(jì)人的經(jīng)驗(yàn)決定了。

e.框架柱的箍筋形式應(yīng)選菱形或井字形，以增強(qiáng)箍筋對(duì)混凝土的約束。柱箍筋直徑宜增加2mm。

4 結(jié)語(yǔ)

以上是筆者在近幾年火力發(fā)電廠土建專業(yè)設(shè)計(jì)了多個(gè)火電廠工程主廠房框架后的一點(diǎn)體會(huì)，主廠房框架計(jì)算時(shí)各系數(shù)較多，本文的分析希望對(duì)以后的計(jì)算和設(shè)計(jì)有所幫助。希望本文的分析對(duì)同行以后的工作、計(jì)算、設(shè)計(jì)及學(xué)習(xí)有所幫助。

［1］電力工業(yè)部西北電力設(shè)計(jì)院.火力發(fā)電廠土建技術(shù)規(guī)定[Z].

［2］中華人民共和國(guó)建設(shè)部，主編.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

［3］中國(guó)建筑科學(xué)研究院.PKPM工程設(shè)計(jì)軟件[M].

［4］朱伯龍，張琨聯(lián)，主編.建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理[M].同濟(jì)大學(xué)出版社.