钢支撑-混凝土框架结构在大型火电厂应用探讨.pdf

2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 4期 总第 2 3 3期 吉 林 电 力 J i l i n El e c t r i c P o we r Aug． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 NO ． 4 S e r ． NO ． 2 3 3 钢支撑一 混凝土框架结构 。 ⋯⋯h e 在 Ap 大 pl i c 型 a t i o n 火 o f 电 S t e e 厂 l Su 应 ppo 用 rt -co 探 n cr讨e t e m⋯r k 齐秋 平 ， 刘 天 英 东北 电力 设计 院 ， 长春 1 3 0 0 2 1 摘要 针对火力发 电厂 主厂房三列柱 布置 ， 结合工程 实例 ， 讨论主 厂房可采用 的结构型式 ， 同时遵照 国家 标准 G B 5 0 0 1 1 2 0 1 O 建筑抗震设计 规范 ， 对钢支撑一 混凝 土框 架结构在主厂房结构 的应用做 以探讨 ， 得 出了主厂房采用钢 支撑一 混凝土框架结构 与钢结 构比较 具有一定的经济优势 ， 在技术上可行的结论 。 关键词 主厂房 ； 三列柱布置 ； 钢支撑一 混凝 土框架结 构 ； 钢筋混凝土框架 结构 Ab s t r ac t The a pp l i c a bl e s t r uc t ur e t y pe s f o r ma i n f a c t o r y bui l di ng ha v e b e en di s c us s e d a c c or di ng t o t he t hr e e c o l u mn a r r a n g e me n t a n d e n g i n e e r i n g e x a mp l e s ．Th e a p p l i c a t i o n o f s t e e l s u p p o r t c o n c r e t e f r a me wo r k i n t h e ma i n f a c t or y bu i l di ng h as a l s o be e n di s c us s e d b a s e d o n GB 50 01 卜 2 010 Co de f or s e i s m i c de s i g n o f b ui l di ng s ．I t ha s b ee n c on c l u de d t h at t he s t e el s up po r t c onc r e t e f r a me s t r u c t u r e s h ows e c on omi c a dv a nt a ge c ompa r e d wi t h s t e el s t r uc t ur e s a nd i s t e c hn i c a l l y a ppl i c ab l e ． Ke y wor ds ma i n p owe r f a c t or y bu i l di ng； t hr e e c o l umns ar r a ng e me nt；s t e e l s up por t c o nc r e t e f r a me wor k s t r u c t u r e； r e i nf or c e d c on c r e t e f r a me wor k s t r uc t ur e 中图分类号 T U3 1 8 文献标志码 B 文章编 号 1 0 0 9 5 3 0 6 2 0 1 4 0 4 0 0 2 2 0 3 按 照 工艺 布 置 ， 部 分大 型火 力 发 电 厂 主厂 房 布 置 为 汽机 房加 煤 仓 间 ， 即 除 氧器 布 置 于 汽机 房 内的 三列柱布置型式 ， 其有效缩短了汽机房 A 列柱与烟 囱之 间距离。 这样布置有节约 占地、 减少主厂房工程 量 、 缩短 建设 工期 等优 点 。 此种 布置 方案 对 主厂房 结 构 选 型 提 出新 的 问 题 ， 在 GB 5 0 0 1 1 2 O 1 O 建 筑 抗 震设计规范 中规定“ 甲、 乙类建筑 以及高度大于 2 4 m 的 丙 类 建筑 ， 不 应 采 用 单 跨 框 架 结 构 ； 高 度 不 大 于 2 4 m 的丙 类 建筑 不宜 采用单 跨 框架 结构 ” 。对 于 结 构设 计 ， 首 先 满足工 艺 布置 ， 同 时也应 遵 守 国家规 范 。本 文 结 合 某 1 0 0 0 MW 级 机 组 主 厂 房 及 GB 5 0 0 1 1 2 O 1 0中附 录 G 钢 支 撑一 混 凝 土 框 架 和 钢 筋 混 凝 土核心 筒结 构 房屋 抗震 设计 要 求 ， 对钢 支撑 一 混 凝土框架结构在主厂房应用进行探讨 。 l 某 1 0 0 0 Mw 机组主厂房结构 某 电厂 场地 土类 型 为 中 软场 地 土 ， 建 筑 场地 类 别 属 Ⅱ类 ； 场地 地震 基本 烈度 为 8度 ， 设计 基本 地震 加速度值为 0 ． 2 g g为重力加速度 ， 基本风压 0 ． 8 O k N／ m 。1 0 0 0 Mw 机组 主厂房结构采用三列柱布 置型式 ， 主厂房 区布置顺序依次 为汽机房、 煤仓 间、 锅 炉 房／ 给水 除氧模 块 、 除尘 器 、 引风 机 、 烟 囱 。汽机 房 跨 度 3 0 ． 0 m ， 柱 距 一般 为 1 0 ． 0 IT I ， 个别 为 9 ． 0 I n。 两机 组 之 间设 置 一 检 修 场地 ， 中 间设 置 一 道 1 ． 2 1T I 伸 缩缝 。运 转 层 标 高 1 7 ． 0 1T I ， 吊 车轨 顶 标 高 3 0 ． 7 r n ， 屋 架 下 弦标 高 3 3 ． 9 m， 汽机 房 总 长 为 1 8 0 ． 2 i n 。 煤仓 问跨度 1 2 ． 5 I n， 长为 2 7 0 ． 0 In， 炉前通道跨 度 8 i n 。 主厂 房 区不设 除 氧问 ， 除氧 器放 置在 两炉 之 间给水除氧模块区域中。 按 照 现行 国家 及 电力 行 业 规 范 、 规程 、 标 准 ， 对 于 6 0 0 MW 级及 以上 机组 发 电 厂 的主 厂房 ， 因工 艺 布 置 和厂 址 的不 同 ， 现 已运行 发 电及 正 在 建设 中 的 主 厂 房 结 构 采 用 钢 结 构 与 现 浇 钢 筋 混 凝 土 结 构 的 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 1 2 作者简介 齐秋 平 1 9 6 7 ， 女 ， 高级工程师 ， 从事 火力发电厂结构设计工作 。 2 2 2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 4期 总第 2 3 3期 Aug． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 4 S e r ． No ． 2 3 3 均有 。 主 厂房采 用 三列柱 布 置 。这 种 布置方 式 对于采 用钢筋混凝土结构的主厂房 ， 其横向抗侧力体系是 由汽机房外侧柱、 汽机房屋盖系统 、 除氧 煤仓框架 组成 的框排架结构 ， 其纵向抗侧力体系采用框架或 框架 一 钢 支 撑结 构 ， 并 根 据 设 防烈 度 采 用 抗震 措 施 。 依据抗震规范 8度抗震设 防烈度区， 采用现浇钢筋 混凝土框架结构最大 高度 4 0 m， 框架一 抗震墙结构 最大高度为 1 0 0 m。 此工程厂房最大高度约5 5 m， 层 高错落， 汽机房与煤仓间存在近 2 0 m 高差 ， 纯钢筋 混凝 土 框架 结构 是不 可行 的。对 于采用 钢筋 混凝 土 框架抗震墙结构或者设有抗震支撑框架结构 ， 抗震 墙 和抗震支撑集 中布置在 每一柱列 伸缩 区段 的中 部 ， 使结构的刚度中心接近质量中心 ， 并在框架柱列 上对称布 置， 在高度方 向沿 全高设 置， 避免 刚度 突 变 。但 是 在工 程 中 由于受工 艺设 备及 管道 布 置 的限 制， 横向剪力墙布置往往很难做到， 这势必引起结构 的抗震性能降低。 2 钢筋混凝 土框架一 抗震支撑体 系 按 照 GB 5 0 0 1 l 一 2 0 1 O 建 筑 抗 震 设 计 规 范 、 J GJ 3 2 O O 2 ／ J 1 8 6 --2 0 0 2 4 高 层 建筑 混 凝 土 结 构 技 术 规程 、 D I 5 0 2 2 9 3 火 力 发 电 厂 土建 结 构 设 计 技术规 定 、 GB 5 0 2 6 0 --9 6 电力 设施 抗震 设计 规 范 、 GB 5 0 0 1 0 2 0 0 2 混凝 土结构设计 规范 、 G B 5 0 0 1 7 2 0 O 3 钢结构设计规范 等相关规范、 规程要 求 ， 对 1 0 0 0 MW 机组 主 厂 房结 构 抗 震 支撑 体 系详 述 如下 。 此 主厂 房 为 电厂 中的 重要 电力 设 施 ， 为 乙类 建 筑 ， 地震作用按 8度抗震设防烈度执行 ， 抗震措施按 9度设防烈度执行 。 主厂 房 的结 构 型 式 采 用钢 筋 混 凝 土一 钢 混合 结 构 即现浇钢筋混凝土框架一 抗震支撑协 同体系。 主厂房结构框架一 抗震支撑体系， 就是要达到具 有足够的承载力 、 刚度 ， 耗能能力的完整抗侧力和竖 向力体系， 以便在规定的地震作用效应和变形界限 内， 抗御相应的地震作用 。 主厂房结构构件 的设置应 配合工艺运行要求 ， 主厂房结构纵向在满足工艺使用前提下 ， 借鉴钢结 构 布置 经 验 ， 抗 震墙 的布置 没有 问题 。 而横 向剪 力墙 的布置 ， 主厂房 为 汽机房 加煤 仓 间 ， 横 向剪 力墙 只 能 布置于煤仓间， 而剪力墙除了端部外的任何位置均 不可行 ， 这样致使结构的布鬣在纵横向上 刚度不匹 配 ， 横向框架一 剪力墙的方案行不通。 建筑设计应符合抗震概念设计 ， 建筑及其抗侧 力结 构 的平 面布 置宜 规则 、 对称 ， 并 应具 有 良好 的整 体性 ； 建 筑 的立 面和竖 向剖面宜 规则 ， 结 构 的侧 向刚 度宜均匀变化， 竖向抗侧力的截面尺寸和材料强度 宜 自下而上逐渐减小 ， 避免抗侧力结构的侧向刚度 和承载 力 突变 。 抗震 结构 体 系宜有 多道 抗震 防线 ； 宜 有 合理 的 刚度 和 承 载力 分 布 ， 避 免 因局 部 削 弱或 突 变形成薄弱部位 ， 产生过大的应力集 中或塑性变形 集 中 ； 结构 在两 个 主轴方 向 的动力 特性 宜接 近 。 由于 工艺布置要求 ， 厂房横向抗震墙的设置受到一定 的 局限， 因而确定框架一 剪力墙结构满足工艺运行存在 一 定 的 困难 。但 是在 钢结构 厂 房 中横 向支撑 布置 的 实施 ， 相 应 的可 以运用 到混 凝土 框架 结构 体系 中 ， 同 时结构计算软件 S TAAD C HI NA、 P KP M 系列软 件均可实现混凝土一 钢混合结构三维模型内力分析 ， 因此提 出钢筋混凝土框排架 、 钢垂直支撑与水平支 撑 、 各层楼面及屋面联合组成 的各 向稳定 的空间结 构体系。 3 两种结构经济性 比较 钢支撑一 混凝土框架结构体积为 3 0 4 7 1 2 m。 ； 钢 结构体积为 2 9 4 6 7 6 m。 。 钢支撑一 混凝土框架结构取 2 7 4元／ m。 ， 钢结 构取 3 9 0元 ／ m。 。 两 种结 构 的经 济性 对 比见 表 1 。 表 1 两种结构估算综 合造 价对比 表 1中 的 比较 结 果是 基 于 相 同 的工 艺 布 置 ， 按 2 3 2 0 1 4年 8月 第 4 2卷 第 4期 总 第 2 3 3 期 Aug． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No． 4 Se r ． No． 23 3 单位体积造价 钢结构与钢支撑一 混凝土框架结构综 合价差为 3 2 5 2万元 ， 可见在经济上钢支撑一 混凝 土 框 架结 构有 较大 的优 势 。 4 钢支撑一 钢筋混凝土框架结构体 系探讨 试 验 研 究结 果 表 明 ， 现浇 钢 筋 混凝 土框 架 结构 具 有一 定 的抗震 能力 ， 对 于高烈 度 区 ， 虽 然平 面布 置 可 以通 过 划 分抗 震 结 构单 元 实 现 ； 而竖 向布 置 高度 差 异大 ， 质量 与 刚度分 度不 均匀 ， 这 不符合 抗震 设计 概念 ’ 。 按 照 G B 5 0 0 1 1 2 O 1 0现提 出 的钢筋 混凝 土 框架一 抗震支撑体系 ， 在高烈度 区地震 作用得到解 决 ， 但 是 对 于主厂 房这 种工 业建 筑 ， 在实 际应 用 中仍 存 在着 需要 进一 步落 实 的细节 问题 。 a ． 主厂 房 结 构 布置 的不规 则 性 ， 决 定 了地震 作 用传 递 途径 不很 明确 。混 凝土框 架 结构 虽然 具有侧 向刚度 、 延 性 ， 可 以抵 抗 一定 的地 震作 用 ； 对 于 高 烈 度 的地 震作 用 ， 变 形 势必很 大 。钢支 撑 的加入 ， 各 向 抗 震 刚度 解 决 了 ， 但 是 混 凝 土构 件 与 钢构 件 之 间 连 接 节 点 的细 部 构造 ， 无 论 人 字撑 、 交叉 撑 ， 支 撑 杆件 的拉压 力均 通过 节点 处 的混凝 土构 件承 受剪 切 向下 传 递 ， 这 要 求 节点 核 心 区具 有很 强 的抗 剪 能 力 ， G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0提 出可参 考 单层 厂 房 柱 间支撑 节 点 处 理 ， 而 主 厂房 这 种 特 殊结 构 ， 空 间 结构 复杂 ， 短 柱 强 梁布置不可避免 ， 如何实现抗剪切破坏 ， 以及节点区 域钢筋锚 固， 采取构造措施 ， 计算参数 ， 仍需要大量 的基础 工作 。 b ．借 鉴 美 国 抗 震 设 计 规 范 AI S C 3 4 1 1 0 S e i s mi c Pr ov i s i o ns f o r St r u c t ur a l S t e e l Bu i l di ng s ， 有 钢结 构框 架一 混 凝 土抗 震墙 结构 型 式 ， 以及 相应 的 一 些构 造措 施 ， 而现 提 到的 混凝 土框 架一 钢 支 撑结 构 型式 ， 理 论 上确 实可 行 。具 体 落实 到实 际工作 中 ， 首 先确定主体结构 的抗震等级 ， 钢 支撑框架部分规范 附 录 G 规 定 丙 类 建 筑 可按 钢结 构 及 混 凝 土 框 架 结 构 提 高一 个 等 级 ； 钢 筋混 凝 土框 架 部 分 仍按 框 架 结 构确定抗震等级 。大型火电厂主厂房建筑为乙类建 筑 ， 钢支 撑抗 震等 级 是否需 要 再提 高 。 其 次 ， “ 底层 的 钢 支撑 框架 按 刚度分 配 的地震 倾覆 力 矩应 大于结 构 总倾覆力矩 的． 5 0 9 ／ 6 ” ， 抗侧力计算按承担地震倾覆 力矩比例分配来实现。 那么在抗震等级基础上， 混凝 2 4 土构件的节点 区域抗震等级是否需要提高， 规范没 有 明确规 定 ， 因其延 性 毕竟 不 同于钢构 件 。 c ． 汽 机 房 跨 度 大 于 2 4 m， 按 照 GB 5 0 0 1 1 2 0 1 0应做 竖 向地 震作 用计 算 ， 而 除氧 煤仓 间部 分按 照 8度 区地 震 竖 向作 用 ， 钢 屋 架 与 混凝 土 屋 架 竖 向 地震 作用 系数 不 同 。 对 于竖 向地震 作 用如何 协调 ， 是 否 通 过 抗 震 缝 实 现 ， 结 构 型 式 的 经 济 性 势 必 受 到 影 响 。 d ． 竖 向楼 层 缩 进使 刚 度 减 弱层 反 应 增 大 ， 同 时 柱受双向弯曲作用而成为结构的薄弱环节 。在高抗 震设防区， 纵横两方向地震作用的共同作用， 以及质 量中心与刚度 中心的不重合引起 的空间反映破坏 ， 仍需 一定 的研 究试 验工 作 。 5 结论 与建议 设 防烈 度超 过 7 地震 加速 度值 为 0 ． 1 5 g 、 8度 区 ， 主厂 房结 构 型式 可优 先 采用钢 支 撑 混 凝 土框 架 结构 ， 与钢结构比较具有一定的经济优势 。 借鉴文献[ 1 ] 以及高强度混凝土 C6 o及以上混 凝 土 和 高 强 钢 HRB 4 O 0钢 筋 的 发 展 研 究 及 在 工 程 实践 中 的应 用 ， 加上 抗侧 力体 系在 结 构 中采 用 ， 主 厂 房 采 用 钢 支 撑一 混 凝 土 框 架 结 构 ， 技 术 上 是 可 行 的 。只是有些 问题 目前 国家标 准 、 规 范 ， 行业 规程 的 规 定要 求不 是很 明确 ， 在结 构计 算体 系的协 同 、 混 凝 土一 钢构件连接节点的处理 、 混凝土结构 自身在强烈 度下 的构造措 施处理 等等 ， 虽 然 GB 5 0 0 1 1 - - 2 0 1 0 做 了一些 规 定 ， 可是 针 对 火 力发 电厂 主 厂房 这 种 竖 向及水 平 向刚度 不 规 则 的 特种 工 业 建筑 ， 有些 细 节 问题还 待进 一步 探讨 。 参考文献 [ 1 ] 电力规划设计总院 、 西北电力设计院研究课题 组． 大 型 火力 电厂钢筋混凝土主厂房框排 架然结构抗震性能 试 验研究 [ R] ． 北 京 、 西 安 电力规划设 计总 院、 西北 电力 设计院研究 ， 2 0 0 5年． 编辑郝 竹 筠