火力發(fā)電廠鋼結(jié)構(gòu)主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的分析

郎 發(fā) 海

(西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

火力發(fā)電廠鋼結(jié)構(gòu)主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的分析

郎 發(fā) 海

(西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

對(duì)火力發(fā)電廠房設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，從安全性和可靠性方面出發(fā)對(duì)傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)。提出整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、連接點(diǎn)設(shè)計(jì)方法、汽機(jī)房及鍋爐部分設(shè)計(jì)方法以及抗震設(shè)計(jì)方法，解決了傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剛度分布不均勻等問(wèn)題。

火力發(fā)電廠,鋼結(jié)構(gòu),主廠房設(shè)計(jì)

火力發(fā)電廠主廠房規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要設(shè)置重型設(shè)備，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度具有較高要求。由于鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性加強(qiáng)，支撐結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以滿足火力發(fā)電廠的主廠房設(shè)計(jì)需要，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)用較為廣泛。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮火電主廠房樓層布置、剛度、質(zhì)量分布不均勻的特點(diǎn)，做好整體設(shè)計(jì)和連接點(diǎn)等細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，并滿足抗震等級(jí)設(shè)計(jì)要求，為火電主廠房的建設(shè)質(zhì)量及使用安全提供保障。

1 工程案例簡(jiǎn)述

某新建火電主廠房工程采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)在鋼框架體系中設(shè)置柱間支撐，可以抵抗水平側(cè)力，為廠房結(jié)構(gòu)提供較好的穩(wěn)定性。在橫向設(shè)計(jì)中，整體采用鉸接體系，為滿足其水平作用力的傳遞需要，在缺少混凝土的局部樓層增加水平鋼支撐。主廠房縱向和汽機(jī)平臺(tái)的縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都設(shè)置有垂直柱間支撐，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)支撐框架體系，起到分擔(dān)縱向水平荷載的作用，使廠房剛度能夠均勻分布，在空間體系上保持完整。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，主廠房的樓面及煤倉(cāng)屋面均采用鍍鋅壓型鋼板作為底膜，厚度為1.2 mm，在底膜上澆筑鋼筋混凝土板，厚度為100 mm。連接件使用圓柱頭焊釘，能夠承擔(dān)剛性樓板架構(gòu)變形產(chǎn)生的作用力。該工程設(shè)計(jì)方案在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗震性能等方面均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)其主廠房鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究，可以為此類工程建設(shè)提供參考[1]。

2 火電主廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

火力發(fā)電廠的主廠房鋼結(jié)構(gòu)體系可以分為橫向鋼構(gòu)架、縱向鋼構(gòu)架以及樓面結(jié)構(gòu)幾部分。橫向鋼結(jié)構(gòu)依次為汽機(jī)房、除氧間和煤倉(cāng)，采用鋼構(gòu)架加設(shè)垂直支撐的設(shè)計(jì)方式。橫向鋼結(jié)構(gòu)布置采用鉸接體系，構(gòu)件截面較小，整體剛度大，連接較為可靠。橫向鋼構(gòu)架與樓面之間可以互相傳遞水平作用力。縱向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的屋面支撐系統(tǒng)與垂直支撐方式相互協(xié)調(diào)，組成其主體結(jié)構(gòu)。由于柱結(jié)構(gòu)的縱橫向受力彎矩存在較大差距，為確保柱截面穩(wěn)定性，需要設(shè)置縱向水平梁，從而減小縱向計(jì)算長(zhǎng)度。在樓面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，汽機(jī)房和煤倉(cāng)均采用壓型鋼板底膜，樓面梁系采用橫梁布置方式，為梁頂設(shè)置剪力鍵，從而減小梁斷面。由于煤倉(cāng)荷載過(guò)大，以縱梁為主梁，從而降低柱結(jié)構(gòu)承受的附加彎矩。在樓面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上主要采用水平支撐增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高水平力的傳遞效果，為結(jié)構(gòu)可靠性提供保障[2]。連接點(diǎn)一般采用鉸接加支撐的設(shè)計(jì)方案，從而滿足其高荷載需求。在橫向鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，受工藝限制部分結(jié)構(gòu)不能加設(shè)垂直支撐，因此要在樓面布置水平支撐，將剛度較差的鋼構(gòu)架水平力傳遞到剛度較高的鋼構(gòu)架。

2.2連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是主廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中較為重要和復(fù)雜的部分，具體包括：1)節(jié)點(diǎn)板與支撐的連接，其連接破壞模式需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢查核準(zhǔn)，計(jì)算構(gòu)件的受拉、受壓屈服能力。通過(guò)彈性計(jì)算，選擇節(jié)點(diǎn)連接使用的高強(qiáng)螺栓。在設(shè)計(jì)時(shí)，連接角鋼要比支撐桿件凈面積大，要對(duì)節(jié)點(diǎn)板的螺栓孔承壓大小進(jìn)行計(jì)算，確保連接角鋼的螺栓孔端距斷裂符合構(gòu)造要求。計(jì)算彈塑性前要對(duì)高強(qiáng)螺栓承載力極限以及連接角鋼的凈斷面斷裂進(jìn)行重新計(jì)算核準(zhǔn)；2)節(jié)點(diǎn)板與梁柱的連接，首先進(jìn)行彈性計(jì)算，確定連接處作用力，從而根據(jù)摩擦類型選擇高強(qiáng)螺栓。計(jì)算彈塑性前先核算螺栓承載力極限，采用T形對(duì)接方式對(duì)節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行焊接；3)柱拼接，采用焊接方式，計(jì)算拼接處抗剪承載力和抗彎承載力。抗剪強(qiáng)度取高強(qiáng)螺栓連接設(shè)計(jì)值，不取抗剪承載力極限值?？箯潖?qiáng)度取連接柱彎曲強(qiáng)度最小值的1/2，拼接接頭位置設(shè)置在柱凈高的1/3處；4)梁端連接，分為三種情況：一是主梁與次梁的連接，一般采用標(biāo)準(zhǔn)角鋼連接，使用高強(qiáng)螺栓進(jìn)行連接。連接角鋼的外伸肢為長(zhǎng)肢，內(nèi)肢為短肢。外肢與主梁腹板的距離要保持1.5 mm左右，采用焊接方式連接次梁腹板。第二種情況是不設(shè)置垂直支撐的主梁梁端連接，需要增加連接角鋼尺寸，使其偏心降低。若梁端的剪力不足抗剪承載力的1/2，則采取一般計(jì)算連接，若個(gè)別梁偏高，需要根據(jù)實(shí)際剪力計(jì)算。第三種情況是設(shè)置垂直支撐的主梁梁端連接，可以采用雙排螺栓，但角鋼內(nèi)肢要小于120 mm，超出這一長(zhǎng)度需要切肢。上下垂直支撐要在自由體平衡條件下計(jì)算梁端連接，主要根據(jù)承載力極限進(jìn)行計(jì)算。如果跨中有V型撐梁或人字形撐梁，需要計(jì)算垂直支撐不平衡力，并核算承載力極限值。此外，要對(duì)板件的寬度和厚度進(jìn)行嚴(yán)格控制，適當(dāng)增加柱翼緣表面約束作用，改善鋼柱連接變形能力。如果板件寬度或厚度過(guò)高，會(huì)增加梁翼緣受力，使其容易出現(xiàn)損壞。因此，要保證其寬厚比符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，避免對(duì)梁柱連接質(zhì)量產(chǎn)生影響[3]。

2.3汽機(jī)房及鍋爐部分設(shè)計(jì)

汽機(jī)房和鍋爐部分都設(shè)置有水平方向支撐，在除氧煤倉(cāng)的梁柱連接中采用剛接方式，其余部分則采取鉸接方式，并對(duì)每一列設(shè)置柱間支撐。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)特殊結(jié)構(gòu)的煤倉(cāng)，煤倉(cāng)框架柱采用剛接方式是為滿足其高承載力要求，其余部分采用鉸接方式即可。在火電主廠房設(shè)計(jì)中，一般汽機(jī)房運(yùn)轉(zhuǎn)采用大平臺(tái)結(jié)構(gòu)，其水平方向上，主廠房主體結(jié)構(gòu)、平臺(tái)的梁和柱、柱間的支撐結(jié)構(gòu)共同組成承重體系。其中，平臺(tái)的梁和柱采用鉸接方式，垂直向梁和柱采用鉸接方式。進(jìn)行樓層設(shè)計(jì)時(shí)，一般采用鋼梁與現(xiàn)澆混凝土板相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式。在鍋爐部分設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于鍋爐鋼結(jié)構(gòu)由鍋爐廠提供，一般采用島式結(jié)構(gòu)對(duì)鍋爐進(jìn)行布置。在主廠房結(jié)構(gòu)與鍋爐之間設(shè)計(jì)有轉(zhuǎn)層通道，需要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在鍋爐前設(shè)置足夠數(shù)量的通道。鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)架后的鍋爐爐架一般采取分開設(shè)置方式，保證兩者之間相互獨(dú)立，承重自成體系。鍋爐部分的電梯井一般設(shè)置在鍋爐的前側(cè)面，其水平荷載可以通過(guò)一定路徑分散到鍋爐爐架上。在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以采用計(jì)算機(jī)軟件建立三維模型，對(duì)主廠房鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析和設(shè)計(jì)優(yōu)化，通過(guò)荷載輸入，根據(jù)其分布情況，對(duì)荷載進(jìn)行分組，保證每個(gè)構(gòu)件的設(shè)計(jì)質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上，對(duì)主廠房整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和完善，調(diào)整截面面積，控制其大小，使其保持在合理范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，可以保證主廠房鋼結(jié)構(gòu)最大限度的滿足荷載需要。

2.4抗震設(shè)計(jì)

主廠房鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)是其設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，只有保證其鋼構(gòu)架滿足抗震等級(jí)要求，才能為建筑使用安全提供保障。通過(guò)提高抗震措施設(shè)防烈度對(duì)其采用對(duì)應(yīng)的抗震防護(hù)措施。一般主廠房采用帶支撐的框架結(jié)構(gòu)，樓層結(jié)構(gòu)采用鋼梁現(xiàn)澆混凝土板結(jié)構(gòu)，可以確保結(jié)構(gòu)合理性，滿足抗震設(shè)計(jì)要求。該火電主廠房的抗震設(shè)計(jì)按烈度7度抗震設(shè)防，在進(jìn)行抗震布置時(shí)，可以對(duì)汽機(jī)房的外側(cè)樁柱與除氧煤倉(cāng)的抗震體系進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，為使其整體結(jié)構(gòu)能夠承受抗震力，可以采取滑動(dòng)支座抗震設(shè)計(jì)方式。在進(jìn)行抗震計(jì)算時(shí)，忽略結(jié)構(gòu)間的相互作用。

3 結(jié)語(yǔ)

火電主廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要同時(shí)做好整體性設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，并滿足抗震設(shè)計(jì)要求。通過(guò)對(duì)其縱橫架構(gòu)及樓面結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，采用適當(dāng)?shù)闹畏绞?，可以保證主廠房整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)受力情況的計(jì)算分析，采取有效的連接方式，可以確保節(jié)點(diǎn)連接質(zhì)量。此外通過(guò)采用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)主廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，并做好抗震性設(shè)計(jì)，可以最大限度的滿足火電主廠房的荷載需要，為建筑使用安全提供保障。

[1] 劉春剛.鋼結(jié)構(gòu)支撐框架結(jié)構(gòu)體系在火力發(fā)電廠主廠房設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2010,43(S1):121-124.

[2] 劉 斌,李 龍.某大型火力發(fā)電廠主廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].山西建筑,2016,42(36):46-47.

[3] 薛 輝.鋼結(jié)構(gòu)在火力發(fā)電廠主廠房設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].建筑知識(shí),2016,36(2):220.

Analysisandapplicationofstructuraldesignschemeofsteelstructuremainbuildinginthermalpowerplant

LangFahai

(SouthwestElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd,Chengdu610021,China)

The design of thermal power plant were analyzed from the aspects of safety and reliability of the traditional design scheme of steel structure was improved. The overall structure design method, design method of the connection point, the steam engine room and boiler design method and seismic design method, solves the problem of the traditional design of steel structure stiffness distribution is not uniform.

thermal power plant, steel structure, main building design

TU318

A

1009-6825(2017)27-0047-02

2017-07-14

郎發(fā)海(1980- )，男，工程師