發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)概念和體系優(yōu)化

王學(xué)民

（中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310012）

1 發(fā)電廠結(jié)構(gòu)概念和體系優(yōu)化

先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想可以通過概念設(shè)計(jì)成分來展現(xiàn)[1]。大型火力發(fā)電廠是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，各個局部單獨(dú)進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果是形成的總體并不優(yōu)化。一個工程項(xiàng)目的優(yōu)化必須從大系統(tǒng)的全局進(jìn)行，才能達(dá)到真正的優(yōu)化效果，這就是工程系統(tǒng)全局優(yōu)化設(shè)計(jì)。

工程系統(tǒng)全局優(yōu)化的概念適用于工程項(xiàng)目全壽命的每一個階段，應(yīng)該在每個階段都進(jìn)行該階段的全局性優(yōu)化，這就是工程全系統(tǒng)全壽命優(yōu)化。例如煙囪結(jié)構(gòu)，不僅要考慮初期建設(shè)的費(fèi)用，還要考慮到將來的維修費(fèi)用；煤場的形式不僅要考慮初期建設(shè)的投入，還要考慮將來的運(yùn)行成本?？梢?，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不僅僅是單純的配筋率問題，配筋率最優(yōu)并不意味著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)。

廣義而言，土建結(jié)構(gòu)工程優(yōu)化有4個層次[1]：結(jié)構(gòu)功能的優(yōu)化、結(jié)構(gòu)選型的優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)防荷載的優(yōu)化和設(shè)防荷載條件下的最小造價。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該貫徹“功能合理、荷載取準(zhǔn)，充分發(fā)揮材料強(qiáng)度”的設(shè)計(jì)原則，合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，做到單體結(jié)構(gòu)的造價最優(yōu)。

結(jié)構(gòu)的功能對結(jié)構(gòu)的造價影響很大，功能過高會造成浪費(fèi)，過低則會影響整個工程將來的運(yùn)行。例如，對大跨空間結(jié)構(gòu)，最重要的是確定結(jié)構(gòu)所需覆蓋的空間尺寸；對棧橋結(jié)構(gòu)最重要的是確定各跨的跨度及荷載；對高聳結(jié)構(gòu)（煙囪）最重要的是確定它的高度和剛度，合理考慮其抗震性能[2]。對于輔助建筑，可以考慮多個建筑的合并建設(shè)，這會影響到整個工程的造價。

在確定結(jié)構(gòu)的功能后再進(jìn)行選型優(yōu)化。例如大跨度空間結(jié)構(gòu)的煤棚，可采用多種類型的結(jié)構(gòu)方案，如拱形結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)和薄膜結(jié)構(gòu)等。對于棧橋，可選用梁式結(jié)構(gòu)、拱形結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)和斜拉結(jié)構(gòu)等；對于煙囪，可選用鋼塔架結(jié)構(gòu)、混凝土圓筒結(jié)構(gòu)等；對于主廠房，可選用鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等。

對于發(fā)電廠結(jié)構(gòu)，荷載的選取關(guān)系到結(jié)構(gòu)的造價和安全性。由工藝專業(yè)提供的荷載，往往會不準(zhǔn)確從而影響到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

確定結(jié)構(gòu)的形式和荷載后，就可以對結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件，做到單體結(jié)構(gòu)的造價最優(yōu)。對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，可應(yīng)用大型通用有限元軟件等來進(jìn)行計(jì)算分析[3]。

2 主廠房結(jié)構(gòu)概念和體系優(yōu)化

2.1 結(jié)構(gòu)功能的優(yōu)化

結(jié)構(gòu)的功能對其造價影響很大，傳統(tǒng)四列式主廠房具有荷載大，剛度、質(zhì)量分布不均勻，錯層短柱多的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。這些問題單從結(jié)構(gòu)的角度很難解決，只有與工藝布置結(jié)合才能設(shè)計(jì)出完美的結(jié)構(gòu)。為此，選定側(cè)煤倉間的工藝布置方案，總體布置見圖1，將結(jié)構(gòu)體系分為2部分：汽機(jī)房消除了四列式布置的短柱、錯層的結(jié)構(gòu)等不利因素；側(cè)煤倉間結(jié)構(gòu)整齊，使得結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量分布均勻。

2.2 結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

圖1 側(cè)煤倉主廠房布置

影響汽機(jī)房結(jié)構(gòu)布置的主要因素是溫度，即2臺百萬機(jī)組主廠房要設(shè)幾條溫度縫的問題。溫度問題長期以來一直困擾著超長混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雖然已作了大量研究，但至今沒有很好地解決。目前，越來越多的在建火力發(fā)電廠百萬機(jī)組主廠房采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，其主廠房每臺機(jī)組一般至少有9個跨度，長度90 m左右?，F(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：室內(nèi)現(xiàn)澆時框架結(jié)構(gòu)的最大適宜伸縮縫間距為55 m，當(dāng)有充分依據(jù)和可靠措施時可適當(dāng)增加間距。若設(shè)置伸縮縫則需采用雙柱，在增加工程造價的同時還給工藝布置帶來一系列問題。此外，變形縫的設(shè)置還會增加建筑處理方面的難度。

有些工程采用2臺機(jī)組設(shè)2條伸縮縫，根據(jù)工藝布置最大程度地減小了結(jié)構(gòu)計(jì)算單元的長度，但是2個計(jì)算單元還是超出了規(guī)范的長度限制，并沒有完全解決溫度問題。本文提出采用底層內(nèi)置伸縮縫的方法解決溫度問題[4-5]，具體做法見圖2。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)防荷載的優(yōu)化

荷載的選取關(guān)系到發(fā)電廠結(jié)構(gòu)的造價和安全性，采用三維設(shè)計(jì)平臺上開發(fā)的荷載傳導(dǎo)軟件，可以由工藝和土建聯(lián)合確定荷載的傳導(dǎo)形式，為發(fā)電廠結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了平臺。

2.4 風(fēng)荷載設(shè)計(jì)

側(cè)煤倉間處于汽機(jī)房、鍋爐房、電除塵支架和煙囪組成的圍合空間內(nèi)，如圖3所示。側(cè)煤倉間鍋爐方向的風(fēng)荷載考慮到鍋爐的遮擋作用，其風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)予以折減，參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中對于山間盆地、谷地等閉塞地形風(fēng)壓高度變化系數(shù)折減的規(guī)定[4]，取修正系數(shù)η=0.75～0.85。

圖2 底層單柱伸縮縫做法

圖3 側(cè)煤倉間所處空間位置

考慮到鍋爐并非完全封閉，選用修正系數(shù)0.85，其作用等于將風(fēng)荷載減小了15%。

汽機(jī)房與鍋爐房凈距離滿足抗震縫要求，2個建筑物基本合并。確定汽機(jī)房橫向風(fēng)荷載體形系數(shù)時，應(yīng)與鍋爐整體考慮。考慮到鍋爐并非完全封閉，將重疊部分風(fēng)荷載折減0.7，相當(dāng)于總體風(fēng)荷載體形系數(shù)由1.3變?yōu)?.95，減小了27%。

以上分析是研究性分析，不能直接用于施工圖設(shè)計(jì)。施工圖設(shè)計(jì)時要考慮風(fēng)荷載折減，要進(jìn)行更仔細(xì)的分析，必要時需進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。

3 建筑樁基概念及優(yōu)化

當(dāng)天然地基承載力不足時，發(fā)電廠大量使用樁基處理，樁基的優(yōu)化一方面可通過合理的計(jì)算[9]，另一方面可通過提高樁基的承載力來完成。

對于灌注樁，樁身承載力由鋼筋承載力和混凝土承載力兩部分組成[6-7]，對樁頂5倍直徑范圍內(nèi)加密箍筋，以增加縱向配筋強(qiáng)度。若按HRB335級鋼筋考慮，取配筋率為0.65%，對于直徑800 mm灌注樁，考慮鋼筋承載力可提高承載力14%；如果采用HRB400級鋼筋，將進(jìn)一步提高承載力20%。

對于由樁身強(qiáng)度控制承載力的樁基，比如嵌巖樁，考慮到嵌巖費(fèi)用和工時較多，設(shè)計(jì)應(yīng)考慮充分發(fā)揮基巖和樁身材料的性能，做到樁身抗壓強(qiáng)度與巖土側(cè)阻端總承載力匹配，樁身混凝土強(qiáng)度不宜低于C40[8]。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：水下灌注混凝土的樁身混凝土強(qiáng)度等級不宜高于C40。在混凝土各項(xiàng)性能有保障的前提下，可將澆筑混凝土強(qiáng)度等級達(dá)到C45[7]。

通常發(fā)電廠灌注樁都采用C30混凝土。在鹽漬土地區(qū)的一些工程中，用C40灌注樁能提高樁身的耐腐蝕性[10-11]。一些大型公用建筑[20]和橋墩樁基[12]也采用了C40混凝土灌注樁。與C30混凝土的灌注樁相比，樁身采用C40混凝土，不僅可以提高樁身的耐久性，同時還可提高了33%的樁基承載力。

4 煤系統(tǒng)建（構(gòu)）筑物概念及優(yōu)化

4.1 碎煤機(jī)室

傳統(tǒng)的碎煤機(jī)基礎(chǔ)采用彈簧隔振基礎(chǔ)，直接布置在大梁上，四周用變形縫與樓板隔開，如圖4所示。樓板上需開設(shè)很大的洞口，主體結(jié)構(gòu)的框架梁不能拉通，結(jié)構(gòu)上需要用牛腿支承大梁來承擔(dān)隔振平臺，局部出現(xiàn)短柱及復(fù)雜的梁系，承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜。

圖4 碎煤機(jī)隔振平臺優(yōu)化

基于傳統(tǒng)隔振方式的缺點(diǎn)，與工藝專業(yè)配合對隔振平臺進(jìn)行簡單改進(jìn)，將隔振平臺上移至運(yùn)轉(zhuǎn)層之上。這樣，主體框架梁可以拉通，隔振平臺的荷載直接傳給主體框架梁柱，受力簡單明確。該方法目前已應(yīng)用于印尼蘇納拉亞等多個發(fā)電廠的實(shí)際工程中。

4.2 棧橋概念及優(yōu)化

輸煤棧橋支架部分考慮以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，支架橫向根據(jù)棧橋高度，必要時設(shè)橫向短肢；縱向地震水平力一般通過棧橋底端設(shè)置來承擔(dān)。棧橋橋面部分跨度較小時采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)，跨度較大時采用鋼桁架。棧橋設(shè)計(jì)時應(yīng)合理考慮風(fēng)荷載的作用[13]?？拐鸬貐^(qū)的棧橋，應(yīng)注意其與周邊轉(zhuǎn)運(yùn)站的連接構(gòu)造[14]。棧橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化重點(diǎn)是縱向桁架結(jié)構(gòu)，可考慮采用以下思路：

（1）縱向采用連續(xù)桁架[15]。計(jì)算分析表明，棧橋縱向采用24 m連續(xù)桁架經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)，與單跨分離式桁架相比，節(jié)約鋼材20%以上。其缺點(diǎn)是施工困難。

（2）常規(guī)角鋼桁架由于采用大量的節(jié)點(diǎn)板，鋼材有較大的浪費(fèi)。計(jì)算表明，單跨桁架采用H型鋼無節(jié)點(diǎn)板桁架比有節(jié)點(diǎn)板桁架節(jié)約鋼材20%?？v向上下弦桿采用H型鋼無節(jié)點(diǎn)板桁架[16-20]。

（3）縱向桁架采用下沉式三角桁架。桿件均采用鋼管，不設(shè)節(jié)點(diǎn)板。分析表明，與常規(guī)單跨桁架相比，可節(jié)約鋼材20%。

（4）支承鋼筋混凝土框架有條件采用下大上小的梯形，更加經(jīng)濟(jì)合理。

5 干灰?guī)旄拍罴皟?yōu)化

常見的干灰?guī)焓卿摻罨炷镣矀}結(jié)構(gòu)。儲灰層筒壁混凝土水平抗拉，配筋以裂縫控制，不能充分發(fā)揮材料強(qiáng)度。針對干灰?guī)旖Y(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，儲灰層筒壁采用鋼板結(jié)構(gòu)。按常規(guī)灰?guī)靷?cè)壁內(nèi)外22@100的水平方向配筋，不計(jì)豎向鋼筋，僅水平鋼筋折算鋼板厚度為7.59 mm，估算采用鋼板后鋼材強(qiáng)度仍有富余，除節(jié)省混凝土外，還可節(jié)省鋼材。

6 綜合管架概念及優(yōu)化

目前，發(fā)電廠綜合管架常用的結(jié)構(gòu)型式有：雙向鋼結(jié)構(gòu),縱橫向鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及橫向鋼筋混凝土框架、縱向鋼梁結(jié)構(gòu)。

各型式都存在各自的缺點(diǎn)：雙向鋼結(jié)構(gòu)的造價過高；縱橫向鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工相對困難，工期較長；橫向鋼筋混凝土框架、縱向鋼梁結(jié)構(gòu)，這是最常見的結(jié)構(gòu)形式，但其不足在于混凝土框架的材料強(qiáng)度往往不能充分發(fā)揮，框架柱多采用構(gòu)造配筋，縱向鋼梁受彎，一些情況下是撓度控制，鋼材強(qiáng)度未能充分發(fā)揮。

綜合管架橫向鋼筋混凝土框架縱向鋼結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵在于優(yōu)化縱向鋼結(jié)構(gòu)。如圖5所示，可考慮以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施：

圖5 綜合管架優(yōu)化措施示意

（1）增大跨度，用足柱的軸壓比，并綜合考慮用足地基基礎(chǔ)的承載力。充分發(fā)揮鋼筋混凝土框架的材料強(qiáng)度。

（2）采用縱向鋼桁架，充分發(fā)揮鋼材的高強(qiáng)度；與縱向鋼梁相比，可節(jié)約鋼材10%。

（3）縱向采用鋼拉桿結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮鋼材的抗拉強(qiáng)度。與縱向鋼桁架相比，可節(jié)約鋼材10%。

7 結(jié)語

根據(jù)全壽命整體優(yōu)化設(shè)計(jì)概念，貫徹最優(yōu)設(shè)防荷載下的最小造價設(shè)計(jì)理念，力圖充分發(fā)揮材料強(qiáng)度。文中對火力發(fā)電廠主廠房及全場主要土建結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概念性優(yōu)化分析，結(jié)果表明：采用C40混凝土灌注樁，節(jié)約全廠樁基費(fèi)用33%；綜合管架采用橫向鋼筋混凝土縱向鋼拉桿結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)縱向鋼梁結(jié)構(gòu)相比節(jié)約鋼材20%；干灰?guī)旆治隽藗鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和儲灰層鋼板結(jié)構(gòu)，從節(jié)約材料的角度鋼板結(jié)構(gòu)最優(yōu)，從節(jié)約投資角度，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)最優(yōu)；輸煤棧橋采用下沉式三角鋼管桁架，與傳統(tǒng)桁架相比，節(jié)約鋼材20%；對碎煤機(jī)室的隔振臺座布置進(jìn)行了革新，新的結(jié)構(gòu)形式的主體結(jié)構(gòu)受理合理，且更加經(jīng)濟(jì)。