鋼支撐－混凝土框架結(jié)構(gòu)在大型火電廠應(yīng)用探討

齊秋平，劉天英

（東北電力設(shè)計(jì)院，長春 130021）

按照工藝布置，部分大型火力發(fā)電廠主廠房布置為汽機(jī)房加煤倉間，即除氧器布置于汽機(jī)房內(nèi)的三列柱布置型式，其有效縮短了汽機(jī)房A 列柱與煙囪之間距離。這樣布置有節(jié)約占地、減少主廠房工程量、縮短建設(shè)工期等優(yōu)點(diǎn)。此種布置方案對(duì)主廠房結(jié)構(gòu)選型提出新的問題，在GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定“甲、乙類建筑以及高度大于24m 的丙類建筑，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)；高度不大于24m 的丙類建筑不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)”。對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先滿足工藝布置，同時(shí)也應(yīng)遵守國家規(guī)范。本文結(jié)合某1 000 MW 級(jí)機(jī)組主廠房及GB 50011—2010中附錄G 鋼支撐－混凝土框架和鋼筋混凝土核心筒結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)要求，對(duì)鋼支撐－混凝土框架結(jié)構(gòu)在主廠房應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 某1 000MW 機(jī)組主廠房結(jié)構(gòu)

某電廠場(chǎng)地土類型為中軟場(chǎng)地土，建筑場(chǎng)地類別屬Ⅱ類；場(chǎng)地地震基本烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.2g（g為重力加速度），基本風(fēng)壓0.80 kN／m2。1 000 MW 機(jī)組主廠房結(jié)構(gòu)采用三列柱布置型式，主廠房區(qū)布置順序依次為汽機(jī)房、煤倉間、鍋爐房／給水除氧模塊、除塵器、引風(fēng)機(jī)、煙囪。汽機(jī)房跨度30.0m，柱距一般為10.0m，個(gè)別為9.0m。兩機(jī)組之間設(shè)置一檢修場(chǎng)地，中間設(shè)置一道1.2 m伸縮縫。運(yùn)轉(zhuǎn)層標(biāo)高17.0 m，吊車軌頂標(biāo)高30.7 m，屋架下弦標(biāo)高33.9m，汽機(jī)房總長為180.2m。煤倉間跨度12.5m，長為2×70.0m，爐前通道跨度8m。主廠房區(qū)不設(shè)除氧間，除氧器放置在兩爐之間給水除氧模塊區(qū)域中。

按照現(xiàn)行國家及電力行業(yè)規(guī)范、規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于600 MW 級(jí)及以上機(jī)組發(fā)電廠的主廠房，因工藝布置和廠址的不同，現(xiàn)已運(yùn)行發(fā)電及正在建設(shè)中的主廠房結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)與現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的均有。

主廠房采用三列柱布置。這種布置方式對(duì)于采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的主廠房，其橫向抗側(cè)力體系是由汽機(jī)房外側(cè)柱、汽機(jī)房屋蓋系統(tǒng)、（除氧）煤倉框架組成的框排架結(jié)構(gòu)，其縱向抗側(cè)力體系采用框架或框架－鋼支撐結(jié)構(gòu)，并根據(jù)設(shè)防烈度采用抗震措施。依據(jù)抗震規(guī)范8度抗震設(shè)防烈度區(qū)，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)最大高度40 m，框架－抗震墻結(jié)構(gòu)最大高度為100m。此工程廠房最大高度約55m，層高錯(cuò)落，汽機(jī)房與煤倉間存在近20m 高差，純鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)是不可行的。對(duì)于采用鋼筋混凝土框架抗震墻結(jié)構(gòu)或者設(shè)有抗震支撐框架結(jié)構(gòu)，抗震墻和抗震支撐集中布置在每一柱列伸縮區(qū)段的中部，使結(jié)構(gòu)的剛度中心接近質(zhì)量中心，并在框架柱列上對(duì)稱布置，在高度方向沿全高設(shè)置，避免剛度突變。但是在工程中由于受工藝設(shè)備及管道布置的限制，橫向剪力墻布置往往很難做到，這勢(shì)必引起結(jié)構(gòu)的抗震性能降低。

2 鋼筋混凝土框架－抗震支撐體系

按照GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、JGJ 3—2002／J 186—2002《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》、DL 5022—93《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》、GB 50260—96《電力設(shè)施抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50010—2002《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范、規(guī)程要求，對(duì)1 000 MW 機(jī)組主廠房結(jié)構(gòu)抗震支撐體系詳述如下。

此主廠房為電廠中的重要電力設(shè)施，為乙類建筑，地震作用按8度抗震設(shè)防烈度執(zhí)行，抗震措施按9度設(shè)防烈度執(zhí)行。

主廠房的結(jié)構(gòu)型式采用鋼筋混凝土－鋼混合結(jié)構(gòu)：即現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架－抗震支撐協(xié)同體系。

主廠房結(jié)構(gòu)框架－抗震支撐體系，就是要達(dá)到具有足夠的承載力、剛度，耗能能力的完整抗側(cè)力和豎向力體系，以便在規(guī)定的地震作用效應(yīng)和變形界限內(nèi)，抗御相應(yīng)的地震作用。

主廠房結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)置應(yīng)配合工藝運(yùn)行要求，主廠房結(jié)構(gòu)縱向在滿足工藝使用前提下，借鑒鋼結(jié)構(gòu)布置經(jīng)驗(yàn)，抗震墻的布置沒有問題。而橫向剪力墻的布置，主廠房為汽機(jī)房加煤倉間，橫向剪力墻只能布置于煤倉間，而剪力墻除了端部外的任何位置均不可行，這樣致使結(jié)構(gòu)的布置在縱橫向上剛度不匹配，橫向框架－剪力墻的方案行不通。

建筑設(shè)計(jì)應(yīng)符合抗震概念設(shè)計(jì)，建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對(duì)稱，并應(yīng)具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力的截面尺寸和材料強(qiáng)度宜自下而上逐漸減小，避免抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度和承載力突變。抗震結(jié)構(gòu)體系宜有多道抗震防線；宜有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應(yīng)力集中或塑性變形集中；結(jié)構(gòu)在兩個(gè)主軸方向的動(dòng)力特性宜接近。由于工藝布置要求，廠房橫向抗震墻的設(shè)置受到一定的局限，因而確定框架－剪力墻結(jié)構(gòu)滿足工藝運(yùn)行存在一定的困難。但是在鋼結(jié)構(gòu)廠房中橫向支撐布置的實(shí)施，相應(yīng)的可以運(yùn)用到混凝土框架結(jié)構(gòu)體系中，同時(shí)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件STAAD－CHINA、PK＆PM系列軟件均可實(shí)現(xiàn)混凝土－鋼混合結(jié)構(gòu)三維模型內(nèi)力分析，因此提出鋼筋混凝土框排架、鋼垂直支撐與水平支撐、各層樓面及屋面聯(lián)合組成的各向穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)體系。

3 兩種結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)性比較

鋼支撐－混凝土框架結(jié)構(gòu)體積為304 712m3；鋼結(jié)構(gòu)體積為294 676 m3。鋼支撐－混凝土框架結(jié)構(gòu)取274元／m3，鋼結(jié)構(gòu)取390元／m3。兩種結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比見表1。

表1 兩種結(jié)構(gòu)估算綜合造價(jià)對(duì)比

表1中的比較結(jié)果是基于相同的工藝布置，按單位體積造價(jià)：鋼結(jié)構(gòu)與鋼支撐－混凝土框架結(jié)構(gòu)綜合價(jià)差為3 252萬元，可見在經(jīng)濟(jì)上鋼支撐－混凝土框架結(jié)構(gòu)有較大的優(yōu)勢(shì)。

4 鋼支撐－鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系探討

試驗(yàn)研究結(jié)果表明，現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)具有一定的抗震能力，對(duì)于高烈度區(qū)，雖然平面布置可以通過劃分抗震結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)；而豎向布置高度差異大，質(zhì)量與剛度分度不均勻，這不符合抗震設(shè)計(jì)概念［1］。按照GB 50011—2010現(xiàn)提出的鋼筋混凝土框架－抗震支撐體系，在高烈度區(qū)地震作用得到解決，但是對(duì)于主廠房這種工業(yè)建筑，在實(shí)際應(yīng)用中仍存在著需要進(jìn)一步落實(shí)的細(xì)節(jié)問題。

a.主廠房結(jié)構(gòu)布置的不規(guī)則性，決定了地震作用傳遞途徑不很明確?；炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)雖然具有側(cè)向剛度、延性，可以抵抗一定的地震作用；對(duì)于高烈度的地震作用，變形勢(shì)必很大。鋼支撐的加入，各向抗震剛度解決了，但是混凝土構(gòu)件與鋼構(gòu)件之間連接節(jié)點(diǎn)的細(xì)部構(gòu)造，無論人字撐、交叉撐，支撐桿件的拉壓力均通過節(jié)點(diǎn)處的混凝土構(gòu)件承受剪切向下傳遞，這要求節(jié)點(diǎn)核心區(qū)具有很強(qiáng)的抗剪能力，GB 50011—2010提出可參考單層廠房柱間支撐節(jié)點(diǎn)處理，而主廠房這種特殊結(jié)構(gòu)，空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，短柱強(qiáng)梁布置不可避免，如何實(shí)現(xiàn)抗剪切破壞，以及節(jié)點(diǎn)區(qū)域鋼筋錨固，采取構(gòu)造措施，計(jì)算參數(shù)，仍需要大量的基礎(chǔ)工作。

b.借鑒美國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（AISC341－10Seismic Provisions for Structural Steel Buildings），有鋼結(jié)構(gòu)框架－混凝土抗震墻結(jié)構(gòu)型式，以及相應(yīng)的一些構(gòu)造措施，而現(xiàn)提到的混凝土框架－鋼支撐結(jié)構(gòu)型式，理論上確實(shí)可行。具體落實(shí)到實(shí)際工作中，首先確定主體結(jié)構(gòu)的抗震等級(jí)，鋼支撐框架部分規(guī)范附錄G規(guī)定丙類建筑可按鋼結(jié)構(gòu)及混凝土框架結(jié)構(gòu)提高一個(gè)等級(jí)；鋼筋混凝土框架部分仍按框架結(jié)構(gòu)確定抗震等級(jí)。大型火電廠主廠房建筑為乙類建筑，鋼支撐抗震等級(jí)是否需要再提高。其次，“底層的鋼支撐框架按剛度分配的地震傾覆力矩應(yīng)大于結(jié)構(gòu)總傾覆力矩的50%”，抗側(cè)力計(jì)算按承擔(dān)地震傾覆力矩比例分配來實(shí)現(xiàn)。那么在抗震等級(jí)基礎(chǔ)上，混凝土構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)區(qū)域抗震等級(jí)是否需要提高，規(guī)范沒有明確規(guī)定，因其延性畢竟不同于鋼構(gòu)件。

c.汽機(jī)房跨度大于24 m，按照GB 50011—2010應(yīng)做豎向地震作用計(jì)算，而除氧煤倉間部分按照8度區(qū)地震豎向作用，鋼屋架與混凝土屋架豎向地震作用系數(shù)不同。對(duì)于豎向地震作用如何協(xié)調(diào)，是否通過抗震縫實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)型式的經(jīng)濟(jì)性勢(shì)必受到影響。

d.豎向樓層縮進(jìn)使剛度減弱層反應(yīng)增大，同時(shí)柱受雙向彎曲作用而成為結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。在高抗震設(shè)防區(qū)，縱橫兩方向地震作用的共同作用，以及質(zhì)量中心與剛度中心的不重合引起的空間反映破壞，仍需一定的研究試驗(yàn)工作。

5 結(jié)論與建議

設(shè)防烈度超過7（地震加速度值為0.15g）、8度區(qū)，主廠房結(jié)構(gòu)型式可優(yōu)先采用鋼支撐－混凝土框架結(jié)構(gòu)，與鋼結(jié)構(gòu)比較具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

借鑒文獻(xiàn)［1］以及高強(qiáng)度混凝土（C60及以上混凝土）和高強(qiáng)鋼（HRB400鋼筋）的發(fā)展研究及在工程實(shí)踐中的應(yīng)用，加上抗側(cè)力體系在結(jié)構(gòu)中采用，主廠房采用鋼支撐－混凝土框架結(jié)構(gòu)，技術(shù)上是可行的。只是有些問題目前國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，行業(yè)規(guī)程的規(guī)定要求不是很明確，在結(jié)構(gòu)計(jì)算體系的協(xié)同、混凝土－鋼構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)的處理、混凝土結(jié)構(gòu)自身在強(qiáng)烈度下的構(gòu)造措施處理等等，雖然GB 50011—2010做了一些規(guī)定，可是針對(duì)火力發(fā)電廠主廠房這種豎向及水平向剛度不規(guī)則的特種工業(yè)建筑，有些細(xì)節(jié)問題還待進(jìn)一步探討。

［1］電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院、西北電力設(shè)計(jì)院研究課題組.大型火力電廠鋼筋混凝土主廠房框排架然結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究［R］.北京、西安：電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院、西北電力設(shè)計(jì)院研究，2005年.