火電廠高位機廠房與鍋爐鋼架聯(lián)合結(jié)構(gòu)變形控制

陳路遙，仇 俊，陳 飛，干夢軍

(中國電力工程顧問集團華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063)

0 引言

火力發(fā)電廠中采用汽輪發(fā)電機高位布置可大幅度縮短高溫管道長度，降低高溫管道材料用量，提高機組運行效率，降低煤耗。但汽輪發(fā)電機高位布置結(jié)構(gòu)設(shè)計難度較大：高位汽輪機及基座高空重載、結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布不均勻；高位汽輪機廠房及鍋爐鋼架間結(jié)構(gòu)形式、荷載分布不一致；兩結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)較難，且高位汽輪發(fā)電機及高溫管道等精密設(shè)備對位移要求嚴格。

本文依托某火電工程，研究高位機廠房與鍋爐鋼架聯(lián)合結(jié)構(gòu)位移控制方法，可為后續(xù)工程及設(shè)計提供借鑒參考。

1 依托工程概況

某火力發(fā)電廠建設(shè)1×1 350 MW 機組，采用雙軸高低位布置。其中高位機廠房與鍋爐鋼架聯(lián)合布置，高位機廠房采用框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，高位機運轉(zhuǎn)層位于82.8 m 高度，總高度約107 m。鍋爐鋼架總高約135 m，采用鋼框架偏心支持結(jié)構(gòu)體系。

本工程汽機采用高位布置，縮短了六大管道的長度，但也對高位機廠房與鍋爐鋼架之間的相對變形控制提出了更加嚴苛的要求。如果高位機廠房與鍋爐鋼架脫開布置，兩者在地震或風荷載作用下單獨變形，會出現(xiàn)較大的相對位移，超過兩者之間管道允許的相對位移限值。本工程將高位機廠房與鍋爐鋼架聯(lián)合布置，利用屈曲約束支撐體系將高位機廠房與鍋爐鋼架連接起來以協(xié)調(diào)變形。高位機廠房與鍋爐鋼架間在26 m、58 m、70 m 分別設(shè)置水平連接桁架，水平桁架采用屈曲約束支撐，聯(lián)合結(jié)構(gòu)計算模型如圖1 所示。

圖1 高位機廠房與鍋爐鋼架聯(lián)合結(jié)構(gòu)

2 結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)

本工程高位機廠房及鍋爐鋼架聯(lián)合結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計根據(jù)GB 50260—2013《電力設(shè)施抗震設(shè)計規(guī)范》[1]和DL 5022—2012《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》[2]，并參考了GB 50011—2010，2016 版《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[3]。

本工程設(shè)計基準期50 a，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防類別為乙類，抗震設(shè)防烈度為6 度(0.05g)?；撅L壓0.40 kN/m2，場地類別B 類?？蚣芰?、柱、剪力墻混凝土強度等級基礎(chǔ)頂面至40 m 層C50，40 m 層至屋面C40。

設(shè)備及管道荷載根據(jù)工藝專業(yè)提供的主要設(shè)備及管道荷載施加，樓面活荷載按照《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》施加。

本工程采用兩種荷載模型，分別為地震工況荷載模型和非地震工況荷載模型，兩種模型取包絡(luò)計算。地震工況荷載模型包括工藝管道荷載、設(shè)備荷載、吊車自重及樓面活荷載。非地震荷載工況荷載包括工藝管道荷載、設(shè)備荷載及檢修荷載、樓面活荷載(不與檢修荷載同時施加)、吊車荷載。

3 結(jié)構(gòu)體系及結(jié)構(gòu)布置

本工程高位機廠房采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)，鍋爐鋼架采用偏心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)。

3.1 高位機廠房結(jié)構(gòu)布置

高位機廠房主要樓層為：8.6 m(汽動給水泵支承層)、17 m、26 m、31 m、33.32 m(煤斗支承層)、40 m、46 m(皮帶層)、58 m(除氧器層)、70 m、79.265 m(汽機基座支承層)、82.8 m(運轉(zhuǎn)層)及107 m(屋面)。汽動給水泵置于8.6 m 層、汽機基座支承于79.265 m 層，均采用彈簧隔振基礎(chǔ)。

3.2 聯(lián)合模型連接桁架

為減小兩結(jié)構(gòu)間管道因相對變形產(chǎn)生的附加應力，保護設(shè)備及管道，制造廠要求高位機廠房及鍋爐鋼架在多遇地震及風荷載作用下相對位移小于15 mm。高位機廠房為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，鍋爐鋼架為鋼框架支撐結(jié)構(gòu)，兩結(jié)構(gòu)體系相差較大，質(zhì)量及剛度分布不均勻。為減小相對位移，分別在26 m、58 m、70 m 層設(shè)置屈曲約束支撐水平支撐桁架。

普通鋼支撐在大震下會產(chǎn)生屈曲破壞，與支撐連接的構(gòu)件受到極大的不平衡力作用，對高位機廠房及鍋爐鋼架主梁柱造成嚴重危害。屈曲約束支撐在大震下進入屈服耗能階段，吸收一部分地震能量，保護主體結(jié)構(gòu)。屈曲約束支撐截面較普通支撐截面小，整體結(jié)構(gòu)剛度較小，周期較大，結(jié)構(gòu)整體地震力小。故本工程高位機廠房與鍋爐鋼架間連接桁架采用屈曲約束支撐。

4 高位機廠房單獨模型

高位機廠房與鍋爐鋼架聯(lián)合結(jié)構(gòu)采用單獨模型與聯(lián)合模型包絡(luò)設(shè)計。高位機廠房采用YJK、MIDAS、SAP2000 軟件建模計算，廠房計算模型如圖2 所示，結(jié)構(gòu)自振周期如表1 所示。

圖2 高位機廠房計算模型

表1 高位機廠房自振周期

地震和風荷載作用下樓層最大層間位移角如表2 所示，各樓層層間位移角均滿足《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》的要求。

表2 地震及風荷載作用下最大層間位移角

5 聯(lián)合模型模態(tài)分析

分 別 采 用YJK(V1.9)、MIDAS(V8.65)、SAP2000(V19)軟件建立高位機廠房及鍋爐鋼架聯(lián)合模型。進行模態(tài)分析結(jié)果如表3 所示，前三階振型如圖3 ～圖5 所示。由圖表可見，三軟件計算得聯(lián)合結(jié)構(gòu)周期接近，模型的振型形狀接近。

圖3 一階振型(X 向平動)

圖4 二階振型(Y 向平動)

圖5 三階振型(扭轉(zhuǎn)振型)

表3 聯(lián)合模型模態(tài)周期

6 聯(lián)合模型多遇地震反應譜分析

6.1 多遇地震作用下層位移與層間位移角

聯(lián)合模型多遇地震下層位移與層間位移角如表4 所示，圖6 ～圖9 所示。由圖表可見，高位機廠房在地震作用下最大層間位移角遠小于框架剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角限值1/800，鍋爐鋼架在多遇地震下層間位移角遠小于多、高層鋼結(jié)構(gòu)層間位移角限值1/250。

圖6 多遇地震作用下高位機房層間位移角

圖7 多遇地震作用下高位機房樓層位移

圖8 多遇地震作用下鍋爐鋼架層間位移角

圖9 多遇地震作用下鍋爐鋼架樓層位移

表4 聯(lián)合模型多遇地震層位移及最大層間位移角

6.2 屈曲支撐內(nèi)力

屈曲約束支撐在地震作用下內(nèi)力如表5 所示。屈曲約束支撐在多遇地震下內(nèi)力均小于屈服承載力。

表5 多遇地震下屈曲支撐最大內(nèi)力 kN

6.3 高位運轉(zhuǎn)層兩結(jié)構(gòu)相對位移

采用彈性時程分析方法，計算高位機廠房與鍋爐鋼架82 m 處相對位移。根據(jù)鍋爐蒸汽聯(lián)箱、主蒸汽管道的路由及支吊位置確定計算位移點。在高位機廠房選取一點，鍋爐鋼架選取左右側(cè)主鋼架柱兩點，如圖10 所示，計算得相對位移如表6 所示。

圖10 82.m層相對位移節(jié)點選取

表6 多遇地震時程分析相對位移 mm

由表6 可知，多遇地震作用下，高位機廠房與鍋爐鋼架相對位移小于制造廠規(guī)定的相對位移限值(15 mm)。

7 聯(lián)合模型風荷載響應分析

7.1 風荷載作用下層位移與層間位移角

風荷載層位移與層間位移角如表7、圖11、圖12 所示。可見，高位機廠房在風荷載作用下最大層間位移角遠小于框架剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角限值1/800。

圖11 風荷載作用下高位機房層間位移角

7.2 屈曲約束支撐內(nèi)力

屈曲約束支撐在風荷載作用下內(nèi)力如表8 所示。由表可見，屈曲約束支撐在風荷載作用下內(nèi)力均小于屈服承載力。支撐受力最大值為1 194 kN，在70 m 層最外側(cè)支撐受力最大。

表8 屈曲約束支撐受力 kN

7.3 高位運轉(zhuǎn)層兩結(jié)構(gòu)相對位移

選取高位機廠房運轉(zhuǎn)層節(jié)點；鍋爐鋼架82 m 層矩形柱左右側(cè)節(jié)點輸出節(jié)點位移，計算結(jié)構(gòu)相對位移如表9 所示。

由表9 可知，X向風荷載作用下，82 m高位機房與鍋爐鋼架間最大相對位移為12.20 mm，Y向風荷載作用下最大相對位移為6.85 mm，均滿足工藝要求的15 mm 位移限值。

表9 風荷載作用下相對位移

8 結(jié)論

本文對某大容量火力發(fā)電廠高位機廠房與鍋爐鋼架聯(lián)合結(jié)構(gòu)進行研究。高位機廠房與鍋爐鋼架聯(lián)合布置結(jié)構(gòu)形式新穎，結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大。本文采用多個軟件建立結(jié)構(gòu)有限元模型，分析了聯(lián)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，得出以下結(jié)論：

1)本工程高位機廠房與鍋爐鋼架間采用三層屈曲約束支撐水平桁架連接，支撐桁架標高根據(jù)高位機廠房及鍋爐鋼架剛性層位置及管道布置確定為26 m、58 m、70 m；

2)高位機廠房與鍋爐鋼架聯(lián)合結(jié)構(gòu)采用單獨模型與聯(lián)合模型包絡(luò)設(shè)計；

3)高位機廠房單獨模型規(guī)定水平力作用下高位機廠房框架部分承受傾覆力矩滿足框架剪力墻結(jié)構(gòu)要求，地震和風荷載作用下最大層間位移角1/2 041，遠小于1/800 現(xiàn)值；

4)聯(lián)合模型多遇地震反應譜分析，高位機廠房最大層間位移角1/3 401，鍋爐鋼架1/3 249。屈曲約束支撐在多遇地震下未屈服，高位機運轉(zhuǎn)層兩結(jié)構(gòu)最大相對位移6.54 mm，滿足制造廠要求；

5)聯(lián)合模型風荷載作用下高位機廠房最大層間位移角1/2 516，遠小于規(guī)范限值1/800，屈曲約束支撐受力最大值1 194 kN，為70 m 層最外側(cè)支撐。風荷載作用下運轉(zhuǎn)層最大相對位移12.20 mm，滿足工藝要求的15 mm 限值要求。