【摘要】火力發(fā)電廠是重要的工業(yè)建筑，主廠房作為火電廠中最重要的建筑，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化顯得尤為重要。本文以具體工程為例，從主廠房的工藝布置特點出發(fā)，論述了主廠房的結(jié)構(gòu)布置原則和結(jié)構(gòu)選型分析，確定了結(jié)構(gòu)形式采用鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)�？蚺偶芙Y(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的計算方法是選取有代表性的單榀框排架進(jìn)行平面計算與分析，本工程采用了兩種計算模型：平面框排架結(jié)構(gòu)計算和空間結(jié)構(gòu)整體計算，通過對這兩種計算結(jié)果的分析比較，得出結(jié)論：如果用平面模型代替整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行廠房的地震反應(yīng)分析將會帶來很大的誤差。而將空間整體計算分析的結(jié)果，通過與選取荷載較大跨，進(jìn)行平面框排架計算的結(jié)果進(jìn)行分析對比，最終得出合理的配筋結(jié)果。本文對火電廠主廠房的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析，可供以后同類設(shè)計參考。
【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)選型；結(jié)構(gòu)布置原則；平面框排架；空間結(jié)構(gòu)計算分析
近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國家電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，火力發(fā)電廠的裝機(jī)容量不斷增大。小型火力發(fā)電廠做為某些化工企業(yè)的動力島，主要用于化工過程中加熱、氣化，同時為本企業(yè)供電。主廠房作為發(fā)電廠中最重要的建筑，它的結(jié)構(gòu)選型與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計直接關(guān)系到能否滿足發(fā)電工藝要求以及工程是否經(jīng)濟(jì)等。因此，主廠房的結(jié)構(gòu)選型與合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計顯得尤為重要。
1. 工程概況
�。�1）山西襄礦泓通煤化工有限公司20 萬噸/年合成氣制乙二醇項目，場地位于襄垣縣王橋鎮(zhèn)米坪村西，占地面積約1000畝。我院主要負(fù)責(zé)熱電裝置區(qū)，作為整個廠區(qū)的動力源。其中主廠房為主要部分，包括汽機(jī)間、除氧間煤倉間、鍋爐間。
（2）襄垣縣抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組為第三組。該場地土類型為中硬場地土，場地類別為Ⅱ類。抗震設(shè)防類別為丙類（建筑平面圖見圖1，剖面圖見圖2）。
2. 結(jié)構(gòu)布置與選型
2.1 平面與豎向布置。
主廠房應(yīng)根據(jù)工藝流程進(jìn)行平面布置與豎向布置。
�。�1）平面布置：主廠房采用汽機(jī)間、除氧煤倉間、鍋爐間三列式布置方式。主廠房為三爐兩機(jī)，預(yù)留一爐一機(jī)，總長138.4m，汽輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量25MW，鍋爐容量300t/h。橫向跨度分別為：汽機(jī)間24m，除氧煤倉間13.5m，鍋爐間36m。
（2）豎向布置分別為：汽機(jī)間8.00m層為汽機(jī)運轉(zhuǎn)層，包括汽機(jī)基座、加熱器平臺、出線小室、檢修平臺等。汽機(jī)間內(nèi)有一臺50t橋式吊車，用于汽輪機(jī)的安裝與檢修，橋吊軌頂標(biāo)高17.500m，汽機(jī)間屋架下弦標(biāo)高20.800m。
（3）除氧煤倉間管道層標(biāo)高4.500m，機(jī)爐控制室、電子設(shè)備間標(biāo)高8.000m，除氧間運轉(zhuǎn)層15.000m、煤倉間皮帶層27.000m，屋面標(biāo)高31.500m。
�。�4）鍋爐間為非封閉式建筑，包括鍋爐鋼架和運轉(zhuǎn)層，運轉(zhuǎn)層平臺標(biāo)高8.000。
2.2 結(jié)構(gòu)布置與選型。
火電廠主廠房的結(jié)構(gòu)布置總體上必須服從設(shè)備布置和運行的需要。但是在滿足工藝條件的前提下，應(yīng)盡可能滿足結(jié)構(gòu)體系的合理。
2.2.1 結(jié)構(gòu)布置的原則。
2.2.1.1 主廠房的平面布置，力求簡單、規(guī)則、平直、整齊合理、受力明確、質(zhì)量和剛度均勻?qū)ΨQ。質(zhì)量大的跨間不宜布置在結(jié)構(gòu)單元的邊緣，質(zhì)量大的設(shè)備宜設(shè)置在距剛度中心較近的部位。如根據(jù)煤斗的位置布置框架時，應(yīng)使煤斗盡量布置在框架正中，少做較長的懸臂結(jié)構(gòu)，并不宜在懸臂結(jié)構(gòu)上布置重設(shè)備。
2.2.1.2 主廠房堅向布置應(yīng)與工藝密切配合，設(shè)備盡可能采用低位布置，并減輕工藝荷載和結(jié)構(gòu)自重，降低主廠房高度和重心。汽機(jī)間屋架下弦標(biāo)高除滿足工藝要求外，還應(yīng)盡量與除氧煤倉間相應(yīng)樓層設(shè)置于同一標(biāo)高處。如果汽機(jī)間和除氧煤倉間的聯(lián)結(jié)點設(shè)在層間，則會形成短柱，應(yīng)采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。
2.2.1.3 防震縫的設(shè)置。防震縫應(yīng)保證相鄰建筑物之間的雙向自由變位，主廠房結(jié)構(gòu)布置中，為避免結(jié)構(gòu)類型，體型或體系截然不同的結(jié)構(gòu)對主廠房的不利影響，主廠房主體結(jié)構(gòu)與下列建筑物間應(yīng)設(shè)防震縫。（1）汽機(jī)基礎(chǔ)、鍋爐基礎(chǔ)；（2）加熱器平臺；（3）結(jié)構(gòu)型式不同的毗鄰建筑物。防震縫的寬度按《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》第6.1.10.4條確定。沉降縫和溫度伸縮縫應(yīng)符合防震縫要求。
2.2.1.4 鍋爐鋼結(jié)構(gòu)宜采用獨立式的結(jié)構(gòu)體系，與主廠房之間應(yīng)設(shè)防震縫。鍋爐剛架與主廠房屬不同類型的結(jié)構(gòu)，若將他們聯(lián)系在一起，將形成體型復(fù)雜、平立面特別不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)置防震縫能避免鍋爐鋼結(jié)構(gòu)和貼建廠房的地震作用下的相互影響和破壞。
2.2.2 結(jié)構(gòu)選型。
�。�1）依據(jù)以上結(jié)構(gòu)布置原則，本工程主廠房采用鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)。
�。�2）汽機(jī)間采用鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，除氧煤倉間采用框架體系。采取汽機(jī)間排架跨屋面鋼梁支撐在除氧間框架柱的牛腿上的方式，形成聯(lián)合結(jié)構(gòu)。這種布置方式，其橫向抗側(cè)力體系是框排架結(jié)構(gòu)，由汽機(jī)間外側(cè)柱、汽機(jī)間屋蓋、除氧煤倉間框架組成，縱向抗側(cè)力體系可采用純框架結(jié)構(gòu)、框架——鋼支撐結(jié)構(gòu)或框架——抗震墻結(jié)構(gòu)。
3. 結(jié)構(gòu)計算分析
框排架結(jié)構(gòu)是火電廠主廠房中常見的一種結(jié)構(gòu)形式，以往在求算這種結(jié)構(gòu)時，大多沿結(jié)構(gòu)橫向取出標(biāo)準(zhǔn)平面框排架結(jié)構(gòu)，以平面框排架反應(yīng)來代表實際結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。這種方法只是在廠房結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布較均勻的情況下才是合理的。由于生產(chǎn)工藝的需求，火電廠主廠房框排架結(jié)構(gòu)中，除氧煤倉間為多層結(jié)構(gòu)、汽機(jī)間為單層的大空間體系，而沿豎向的質(zhì)量、剛度分布不均勻，形成豎向有高差，抗側(cè)力構(gòu)件分布不對稱，質(zhì)心偏離結(jié)構(gòu)剛心的雙向偏心的不規(guī)則結(jié)構(gòu)。對于這種雙向偏心結(jié)構(gòu)，地震作用下空間結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著，結(jié)構(gòu)的縱向振動與橫向振動相互耦聯(lián)，所以進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)計算分析是必要的。
《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL5022-2012）4.1.7條規(guī)定：“主廠房結(jié)構(gòu)宜采用空間體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析。整體結(jié)構(gòu)宜連同主廠房外側(cè)柱、除氧煤倉間框架等結(jié)構(gòu)進(jìn)行聯(lián)解。”下面就以20 萬噸/年合成氣制乙二醇動力島主廠房工程為例，進(jìn)行主廠房三維空間分析計算和平面框架分析驗證。
3.1 計算模型的建立。
3.1.1 考慮到結(jié)構(gòu)形式的復(fù)雜性， 在計算輔助軟件PKPM中建模時，將原型結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕海?）考慮屋面鋼梁對整體結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)的影響較小，將屋面鋼梁簡化為一軸力桿件，并認(rèn)為屋架梁與排架柱理想鉸接，即不考慮屋面鋼梁在地震下的失效問題。（2）將實際結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)構(gòu)架簡化為空間桿或殼單元，即梁柱簡化為三維空間桿單元，樓板簡化為各向同性的三維矩形板殼單元。（3）框排架內(nèi)填充墻簡化為線性均布荷載作用在框排架梁上。
3.1.2 選取主廠房1～9軸，在PMCAD中建立各層的結(jié)構(gòu)平面布置圖，將工藝布置的各層的設(shè)備、管道運行荷載輸入程序，形成最接近實際的空間結(jié)構(gòu)模型。
3.2 結(jié)構(gòu)的動力特性：
3.2.1 平面框排架結(jié)構(gòu)的動力特性。
選取一中間跨的框排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，由計算結(jié)果可知，結(jié)構(gòu)第一振型中的各柱列均做同向的第一振型振動，因此將它稱作橫向框排架結(jié)構(gòu)水平第一振型�？蚺偶芸蚣懿糠值恼裥团c純框架結(jié)構(gòu)的基本相同，表明對于采用平面計算模型，排架由于質(zhì)量、剛度貢獻(xiàn)都遠(yuǎn)小于框架部分，對框架部分的動力特性影響非常有限。結(jié)構(gòu)的第一振型顯示下部相對變形大于上部，所以框排架結(jié)構(gòu)是以剪切型變形為主的結(jié)構(gòu)體系。第二、三振型中，頂層振動幅度不大，故煤倉間框架頂部的地震反應(yīng)主要由第一振型控制。 3.2.2 空間框排架結(jié)構(gòu)的動力特性。
�。�1）主廠房空間結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果顯示，空間框排架結(jié)構(gòu)的振型以橫向振型、縱向振型及扭轉(zhuǎn)振型為主。第一振型對所有桿件的地震內(nèi)力都有較大影響，主振動方向為沿廠房橫向的平動，整體變形為剪切型變形，伴隨有扭轉(zhuǎn)振動。第二振型為整體扭轉(zhuǎn)振型。第三振型為縱向平動，其中排架部分的側(cè)移明顯大于其他軸。
�。�2）以上結(jié)果表明：整體結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布不均勻，結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)對整體受力影響顯著 ，框排架結(jié)構(gòu)的空間作用很明顯。
3.3 結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)。
�。�1）框排架結(jié)構(gòu)的層位移、層位移角主要由水平力控制，即由水平地震和風(fēng)荷載控制。下面僅以平面框排架和空間結(jié)構(gòu)的水平地震力作用下結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)做比較分析。
（2）平面框排架與空間框排架位移比較如下。
（3）由以上表1、表2可知，結(jié)構(gòu)的位移采用平面模型和空間計算模型是有區(qū)別的。由于結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，采用平面模型計算的樓層位移和層間位移角小于相應(yīng)的空間模型計算的結(jié)果，可見框排架結(jié)構(gòu)的空間作用非常顯著。
3.4 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算與配筋：
（1）《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL5022-2012）4.1.7條規(guī)定：“鋼筋混凝土主廠房結(jié)構(gòu)采用三維空間分析法時，宜選擇荷載較大的代表性框架進(jìn)行平面分析驗證”。
�。�2）因此可根據(jù)工藝布置和結(jié)構(gòu)布置選取有代表性的框架進(jìn)行平面計算，取最不利的計算結(jié)果進(jìn)行配筋。
�。�3）前面的分析中，建立了框排架結(jié)構(gòu)整體空間結(jié)構(gòu)模型，并在SATWE中進(jìn)行了空間結(jié)構(gòu)有限元分析計算。同時選取了具有代表性的代表性的單榀，進(jìn)行了PK平面框架計算，橫向選取4軸為代表，縱向框架選取A軸、B軸和C軸為代表。下面列出計算結(jié)果對比簡圖。圖5。
�。�4）以上結(jié)果表明，縱向框架平面計算與空間計算結(jié)果基本一致，配筋比小于1.1。而橫向框排架，特別是框排架柱子計算配筋結(jié)果相差很大，SATWE中框架柱配筋結(jié)果在橫向偏小42.5 %，這就說明，SATWE空間有限元分析設(shè)計軟件，在計算鋼筋混凝土框排架時還不成熟，對排架方向的空間作用分析還有待研究改進(jìn)。所以結(jié)構(gòu)工程師在利用軟件進(jìn)行輔助設(shè)計時，實際工程配筋時，應(yīng)把平面計算與空間計算結(jié)果做分析比較，選取最不利的結(jié)果。
3.5 結(jié)構(gòu)計算分析的結(jié)論：
�。�1）主廠房采用空間結(jié)構(gòu)計算方法，充分考慮了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的協(xié)調(diào)作用，更加符合廠房結(jié)構(gòu)在荷載作用下的實際受力情況。
�。�2）該類廠房結(jié)構(gòu)的縱、橫向剛度相差較大，質(zhì)心和剛心偏離較大，整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度偏小，扭轉(zhuǎn)效應(yīng)顯著。由最大水平側(cè)移空間作用比或?qū)娱g側(cè)移空間作用比可知，對于此類空間框排架結(jié)構(gòu)，如果用平面模型代替整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行廠房的地震反應(yīng)分析將會帶來很大的誤差。
�。�3）鋼筋混凝土主廠房結(jié)構(gòu)采用三維空間分析法時，宜選取荷載較大的代表性框架進(jìn)行平面分析驗證。實際工程配筋時，應(yīng)把平面計算與空間計算結(jié)果做分析比較，選取最不利的結(jié)果。
4. 結(jié)論
（1）火電廠主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)在滿足工藝條件的前提下，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置，應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)布置的原則：平面布置力求簡單、規(guī)則、受力明確、質(zhì)量和剛度均勻?qū)ΨQ。堅向布置應(yīng)與工藝密切配合，并且使結(jié)構(gòu)抗側(cè)力構(gòu)件連續(xù)、均勻。
�。�2）主廠房結(jié)構(gòu)宜采用空間體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析。采用空間結(jié)構(gòu)計算方法，更加符合廠房結(jié)構(gòu)在荷載作用下的實際受力情況。但是對于鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)，采用三維空間分析法時，宜選取荷載較大的代表性框架進(jìn)行平面分析驗證。
