火電廠主廠房活荷載折減系數(shù)取用分析

周 強

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100011)

火電廠主廠房活荷載折減系數(shù)取用分析

周 強

(中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司，北京 100011)

針對火電廠中主廠房結構設計的活荷載，參考并對照各結構設計規(guī)范中有關荷載折減系數(shù)的設計條款，以應用較廣的PKPM結構設計軟件為例，對軟件中墻、柱和基礎的輸入荷載參數(shù)，綜合考慮后取用一定的折減系數(shù)，以供火電廠工程的主廠房結構設計時參考。

活荷載效應；重力荷載代表值；主廠房。

在結構樓面活荷載效應計算時，將活荷載考慮簡化計算而近似看作為均布活荷載，而實際工程中的樓面面積越大，則平攤的樓面活荷載就會越小。故而，在計算結構或結構構件樓面活荷載效應時，如果引起荷載效應的樓面活荷載面積超過一定數(shù)值時，就應該對樓面的均布活荷載考慮進行折減，于是引入了活荷載折減系數(shù)。計算樓面梁、柱、墻及基礎時，因樓面活荷載標準值不可能全部滿布和各構件受載后的傳遞效果不同，考慮對其活載進行折減。

1 活荷載按樓層的折減系數(shù)取用分析

一般地，單機組容量200 MW以上的火力發(fā)電廠的主廠房(包括汽機房，除氧間，煤倉間)高度均在30 m以上，按《建筑設計防火規(guī)范》GB50016－2014有關規(guī)定應為高層建筑，故火電廠的主廠房應按照高層建筑的工業(yè)廠房考慮。

對于高層建筑，上、下樓層同時達到活荷載設計值的可能性，也就是活荷載同時出現(xiàn)的概率大小問題。一般情況下，樓層數(shù)量越多，各層活荷載同時出現(xiàn)的可能性就越小。因此，《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009－2012(以下簡稱“《荷載規(guī)范》”)5.1.2－2規(guī)定了5.1.1中的第1(1)項的荷載，考慮樓層因素在設計墻、柱和基礎時，按表1進行的折減。

表1 活荷載按樓層的折減系數(shù)

從表1可以看出，計算截面以上的樓層數(shù)越多，相應的折減系數(shù)的數(shù)值就越小。但是，《荷載規(guī)范》表5.1.1中的第1(1)項的荷載類別僅適用于民用建筑，并未列出用于高層工業(yè)廠房(比如：火電廠主廠房)等工業(yè)建筑在結構設計設計墻、柱和基礎時的活荷載按樓層的折減系數(shù)。

《荷載規(guī)范》5.1.2 2 對設計墻、柱和基礎時有第2)條規(guī)定：第1(2)～7項應采用與其樓面梁相同的折減系數(shù)。盡管該條的適用范圍僅為民用建筑，并且《火力發(fā)電廠土建結構設計技術規(guī)程》DL5022－2012以下簡稱“《土規(guī)》”)也未提及活荷載按樓層的折減系數(shù)，但對高層工業(yè)廠房設計時，適當取用活荷載按樓層的折減，可以使結構材料性能得到最大限度的利用。

2 活荷載折減系數(shù)的規(guī)范值取用分析

本文從火電廠主廠房結構設計的角度，對規(guī)范中的活荷載折減系數(shù)的取用做了舉例分析。這里，將活荷載折減系數(shù)可分為樓面均布活荷載折減系數(shù)和活荷載按樓層的折減系數(shù)兩類分別進行考慮(后者僅用于多層及高層建筑及高層工業(yè)廠房，單層房屋不考慮此項折減)。

2.1 樓面均布活荷載折減系數(shù)取用分析

便于設計人員參考，本文對于樓面均布活荷載折減系數(shù)的取用，采用在國內(nèi)應用較廣的結構設計軟件PKPM (以下簡稱“PKPM”軟件)的SATWE中對應的“梁樓面活荷載折減設置”項進行分析，見圖1。

圖1 梁樓面活荷載折減系數(shù)設置(圖中參數(shù)取用僅做參考)

圖1的梁樓活荷載折減設置所列選項中0.9，0.6和0.8的折減系數(shù)僅用于民用建筑樓面活荷載(有關條款見《荷載規(guī)范》5.1.2－1)，工業(yè)廠房設計時不得隨意選取，火電廠主廠房的梁樓活荷載折減可按《土規(guī)》中表3.2.2對應層各區(qū)域的計算次梁、預制板主肋折減系數(shù)進行取用。

為了方便荷載倒算，建議將《土規(guī)》中表3.2.2采用對應層各區(qū)域的計算次梁、預制板主肋折減系數(shù)直接乘以相應活荷載標準值進行活荷載折減。另外，根據(jù)《土規(guī)》表3.2.2注7：次梁(板主肋)折減系數(shù)不應與主梁(柱)折減系數(shù)同時考慮，所以模型輸入的荷載時，已經(jīng)過計算次梁、預制板主肋折減系數(shù)后的荷載不再按主梁進行折減。故而經(jīng)計算次梁、預制板主肋折減后的活荷載標準值可直接輸入模型計算框架梁、柱及基礎。(參見例1)

例1：單機組容量200～300 MW火電廠主廠房加熱器平臺中間層－加熱器平臺管道層按《土規(guī)》有：活荷載標準值6 kN/m2；對應的計算次梁、預制板主肋折減系數(shù)為0.8。采用4.8 kN/m2(＝0.8×6 kN/m2)作為折減后的活荷載標準值模型計算框架梁、柱及基礎。

注：因工藝專業(yè)提資一般不提供小管道部分，故不能按照《土規(guī)》3.2.1 1條提供的活荷載系數(shù)直接選用。

2.2 主廠房的活荷載按樓層的折減系數(shù)取用分析

對于主廠房活荷載按樓層的折減系數(shù)取用，仍采用PKPM 軟件的SATWE中對應的圖1中的“柱、墻設計時活荷載折減”和“傳給基礎的活荷載折減”項進行分析。

火電廠主廠房結構中的活荷載按樓層的折減系數(shù)可參考《荷載規(guī)范》5.1.2－2 中的2條，對設計墻、柱和基礎時采用樓面梁(主梁或次梁)相同的折減系數(shù)，選用原則可考慮如下：

首先，采用《土規(guī)》中計算主梁(柱)時的折減系數(shù)參考取用(參見例2)。

例2：加熱器平臺中間層：加熱器平臺管道層和高、低加熱器平臺在《土規(guī)》表3.2.2的計算主梁(柱)時的折減系數(shù)均為0.8，則此中間層的活荷載按樓層折減系數(shù)取0.8即可。(SATWE輸入處見圖1的計算截面以上層數(shù)1層的折減系數(shù))。

其次，當在《土規(guī)》中計算主梁(柱)時的折減系數(shù)無可取值時，可采用計算次梁、預制板主肋折減系數(shù)(SATWE輸入處參見例3)。

例3：除氧間：除氧器層樓面在表3.2.2中的計算主梁(柱)時的折減系數(shù)無可選項，這里可采用計算次梁、預制板主肋折減系數(shù)0.7作為該層樓面活荷載按樓層折減系數(shù)(見圖1的計算截面以上層數(shù)2～3層的折減系數(shù))。

2.3 主廠房基礎在PKPM軟件中JCCAD模塊的活荷載折減系數(shù)取用分析

在PKPM軟件中，上述圖1中的柱、墻及基礎的活荷載折減只傳到底層最大組合內(nèi)力(此內(nèi)力為組合設計值)中，并沒有傳給PKPM軟件中的JCCAD計算模塊項，在JCCAD模塊中讀取荷載項中讀取的仍然是荷載標準值。對火電廠主廠房結構，則應對在JCCAD模塊中的“荷載參數(shù)”項中按《土規(guī)》對應活荷載的折減系數(shù)參考取用(參見例4)。

例4：某火電廠混凝土結構主廠房，為一級框架，該主廠房包括汽機房，除氧間(無煤倉間)；且汽機房設有工作級別為A3、起重量為80/20t吊車2臺；機務專業(yè)提資提供了設備荷載及四大管道荷載及荷載量相當?shù)钠渌艿篮奢d。在PKPM軟件中JCCAD模塊中的“荷載參數(shù)”項輸入系數(shù)的規(guī)范取用如下：

查《土規(guī)》表5.0.3－1：對于加熱器平臺中間層，汽機房運轉(zhuǎn)層及除氧間的不同活荷載區(qū)域，活荷載組合值系數(shù)有0.8，0.7，0.9等多種取值，準永久值系數(shù)也有如下0.7，0.6和0.5多種取值。如果按規(guī)范要求設計，基礎荷載基本組合的計算量將增大?？紤]該主廠房無煤倉間，層高較低，機務專業(yè)提資只提供大荷載，高層的活荷載重力代表值對結構抗震計算有利，其系數(shù)宜取較小值。這里考慮簡化計算，采用中間值系數(shù)：活荷載組合值系數(shù)取0.8，活荷載準永久值系數(shù)取0.6。

活荷載按樓層折減系數(shù)根據(jù)上文例2和例3的取值中，選用較大值0.8。

查《抗規(guī)》表6.4.1有：吊車荷載組合值系數(shù)ψc＝0.70和吊車荷載準永久值系數(shù)ψq＝0.50。

查《抗規(guī)》6.2.3條有：一級框架的柱的底層，柱下端截面組合的彎矩設計值，應乘以放大系數(shù)為1.7。

其他荷載系數(shù)需按SATWE模塊中的荷載系數(shù)取相同值。

有關參數(shù)輸入見圖2。

圖2 活荷載組合值系數(shù)設置(圖中參數(shù)取用僅做參考)

3 活荷載折減系數(shù)的存在問題

3.1重力荷載代表值效應的活荷載組合系數(shù)與活荷載組合值系數(shù)差異

《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011－2010(下簡稱“《抗規(guī)》”)第5.1.3條規(guī)定： 計算地震作用時，建筑的重力荷載代表值應取結構和構配件自重標準值和各可變荷載組合值之和；并且《抗規(guī)》條文說明5.1.3解釋：按現(xiàn)行國家標準《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》GB50068的原則規(guī)定，地震發(fā)生時恒荷載與其他重力荷載可能的遇合結果總稱為“抗震設計的重力荷載代表值SGE”，即永久荷載標準值與有關可變荷載組合值之和。該組合值主要指的是可變荷載組合值系數(shù)，一般情況下，該值與活荷載組合值系數(shù)相同。對火電廠主廠房結構，各可變荷載的組合值系數(shù)應按《土規(guī)》中的表3.2.2取用。

但由于建筑各樓層的活荷載組合值系數(shù)并非一成不變，而是根據(jù)使用條件的不同而改變。從例4可以看出，PKPM軟件JCCAD模塊和SATWE模塊中給出的活荷載組合值系數(shù)只能用于全樓，不能分段輸入。由于規(guī)范中的此條規(guī)定為強制性條文，必須執(zhí)行，所以結構設計時必要時需考慮多次驗算。

3.2 活荷載折減系數(shù)取值大小建議

活荷載折減系數(shù)具體到每個工程當中，折減系數(shù)不一定取值越大結構越安全，舉例來說，對于大偏心受壓柱來說，在作用彎矩 M不變的情況下，各樓層活荷載按規(guī)范提供的活荷載折減系數(shù)進行折減，傳給控制截面的軸力N變小了，柱截面承載力反而更為不利。所以在結構設計中，應根據(jù)每個工程的實際情況采用合理的活荷載折減系數(shù)。

4 結語

從上文對火電廠主廠房活荷載的折減系數(shù)的規(guī)范取用分析來看，活荷載的折減對高層工業(yè)廠房結構設計是非常必要的，這樣對活荷載進行折減后，合理并有效降低了梁柱荷載的組合效應設計值，特別是抗震設計時，將使結構經(jīng)濟性指標更合理。必須注意的是，活荷載折減系數(shù)的取值應根據(jù)所做工程的具體情況(抗震等級，結構類型，活荷載作用位置等)對照規(guī)范有關條文進行，不能一概而論。

[1] GB50009－2012，建筑結構荷載規(guī)范[S]．

[2] GB50011－2010，建筑抗震設計規(guī)范[S]．

[3] JGJ3－2010，高層建筑混凝土結構技術規(guī)程[S]．

[4] DL 5022－2012，火力發(fā)電廠土建結構設計技術規(guī)程[S]．

[5] 朱炳寅．建筑結構設計問答及分析[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社出版，2013．

Analysis of Live Load Reduction Factor of Main Building of Coal-fred Power Plant

ZHOU Qiang
(North China Power Engineering Co. Ltd., Beijing 100011, China)

About the live load in power plant main building structure design, by reference and contrast with the related rules about reduction factor in the structure design codes, by taking the widely used PKPM structure design software for example, for the input data of load parameters of wall, column and foundation in the software, load design considering reduction factor values is used, in order to reference for structure design of main building structure in power plant projects.

live load effect; representative values of gravity load; main building.

TM621

：B

：1671-9913(2017)01-0040-04

2014-04-11

周強(1980- )，男，山西長治人，從事結構設計工作。