使用PKPM軟件進行火電廠主廠房框架計算的一點認識

張鈺芝

（新疆電力設計院 新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

主廠房是火力發電廠的核心，目前，火電機組結構型式仍較多采用A排柱鉸結于除氧煤倉間框架上的鋼筋混凝土框排架結構。本文根據以往工程及筆者的經驗，以及國電庫車發電有限公司二期（2×330MW）擴建工程機組為例總結一些在使用PKPM軟件進行主廠房框架計算的特點，并總結出使用使用時應注意的的一些經驗。

1 概述

庫二工程主廠房采用除氧煤倉間雙框架結構，橫向汽機房跨度27m，除氧間跨度8m,煤倉間跨度11.5m。汽機房縱向15跨，除氧、煤倉間15跨，跨距9m。#1、#2機雙柱間設抗震縫。框架頂高40.900，局部（兩爐間集控樓內伸部分）高度相應調整。框架和爐架、集控樓間用鉸結平臺連接,故計算時僅考慮垂直荷載傳遞。整個廠區部分設計參數如下：安全等級一級 （《火力發電廠土建結構設計技術規定 （DL 5022-93）》4.1.2條）；中硬場地土，II類場地；基本設防烈度8度，基本風壓0.64kN/m2。計算程序采用PKPM軟件（2010年版）。以下按程序的數據輸入和計算結果分析兩部分詳述。

2 數據輸入

（1）荷載輸入

A.恒載計算時有兩個方法：

a.可按樓面及屋面的建筑做法詳細清荷；

b.可只算建筑面層，樓板及屋面板結構自重由程序自動計算。

B.樓面及屋面均布活載按《土規》表2.2.2中計算主框排架項選用，考慮活載的后三項系數不同，可將活載分為如下七組：

*按《土規》表 2.2.2中計算主框排架項選用活載，活載＞4kN/m2取 1.3，活載＜4kN/m2取 1.4。

汽機大平臺檢修荷載區是設備檢修臨時堆放場所，具體位置及荷載大小應由工藝專業提供，在本工程中需注意的是：部分A、B排汽機房懸臂平臺也在檢修區內。

本工程計算時考慮了如下兩項施工荷載：（1）除氧器水箱吊裝時在2、16軸除氧間大梁上的臨時荷載52t，此時恒載僅考慮結構層自重。（2）發電機定子吊裝時吊車輪壓的變化，由于吊裝時定子居汽機房中，所以實際情況吊車輪壓反而比最大輪壓小，計算簡圖詳見吊車荷載部分圖1。以上兩項在計算時各構件結構安全等級降低一級，結構重要性系數取為1.0。

吊車荷載以國電庫車發電有限公司二期 （2x330MW）擴建工程為例：汽機房設兩臺輕級80/20t吊車,每臺8個輪（輪距及車距見計算簡圖），各基本參數如下：

吊車總自重 G=80.8t 小車自重 g=23.964t

最大輪壓 Pmax=33.8t 最大起重量 Q=100t

最小輪壓（Pmin）由 4*（Dmin+Dmax）=（G+Q） 求得，為11.4t。

按《土規》規定對兩臺吊車荷載采用：

縱向框架計算簡圖不再詳示，其計算公式如下：

需注意的是n為所有剎車輪的和（本工程取為2，每側一個），ZL均分于A、B排縱向框架上。

圖1

以最大輪壓為例：

圖2

在進行橫向框架荷載計算時縱向梁可按簡支梁考慮（不考慮平面外彎矩），反之亦然。

（2）計算長度系數和地震參數輸入

框、排架柱的計算長度詳見《土規》3.1各項。須注意的是B軸有幾榀框架柱在21m層上僅通過網架和A排柱連接，而和C排柱無任何框架梁連接，此時21m層以上B排柱應按排架柱取計算長度。

地震設計的設防準則可歸結為三點：①小震不壞；②中震可修；③大震不倒。其對應的烈度水準分別為：多遇烈度，基本烈度和罕遇烈度。對①通過結構彈性地震的強度驗算來滿足，對②通過抗震的構造措施來滿足，對③通過結構薄弱層的彈塑性變形驗算來滿足。地震計算的各參數輸入，都是基于以上三條的。

和①、③相關的參數有：特征周期Tg,結構自振周期T，水平地震影響系數αmax（①、③取值不同）。Tg是由場地類別和近、遠震決定的；T由程序計算得到，涉及到為考慮填充墻的周期折減系數，《土規》規定可不考慮非抗震墻體的剛度（9.4.2.1 條），考慮到填充墻的數量較多，偏安全的取為 0.8；αmax相應于驗算內容和基本設防烈度取用如下：

基本設防烈度驗算內容6 7 8（庫二） 9①小震不壞 0.04 0.08 0.16 0.32②中震可修（基本不用，通過構造滿足） 0.12 0.23 0.45 0.90③大震不倒 0.25 0.50 0.90 1.40

對中震可修主要相關參數為抗震等級。框架的抗震等級應按設防烈度和框架高度決定。須注意的是重要電廠的主廠房框架設防烈度應在基本設防烈度的基準下，按 《土規》表9.1.4作調整，取用調整后的設防烈度來決定抗震等級，這就是提高一度設防，對應于構造抗震等級。但當進行強柱弱梁、強剪弱彎、強節點弱構件等相關于 《建筑抗震設計規范（GBJ11-89）》6.2節所涉及的內容時，基本設防烈度不再調整，此時所對應的抗震等級為計算用抗震等級。以庫二工程4軸框架（高40.25m）為例，抗震等級決定方式如下：

綜上，程序所需基本地震參數為：

基本設防烈度 （8） 場地類型 （II）

近、遠震 （遠） 計算抗震等級（一級）

構造抗震等級 （一級）.考慮填充墻自振周期折減系數（0.8）

（3）數據輸出

a.柱腳荷載及框架柱配筋特點。

準確的柱腳荷載是進行地基處理和基礎設計的必要條件，根據對計算結果數據文件的分析，每榀框架可取代表性的三組荷載。以5軸C排柱柱腳為例，所取組合如下：

其中①、②用于計算承載力，③用于計算地基變形。①在所有情況下都為靜力荷載組合，在提出柱腳荷載時，必須提出②是否是地震作用，以便將地基或單樁承載力乘以相應的系數（《建筑地基基礎設計規范》（GBJ 7-89）3.2.2 條及《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-94）5.2.1.2 條），在庫二工程基本烈度為8度的情況下，②都為地震組合，由于此時單樁承載力乘以1.25，因此樁數基本由①決定。現提出幾榀框架在①情況下的柱腳荷載（kN），以資參考：

注：除氧器連水520t/每個，煤斗連煤600t/每個。

軸壓比是防止柱脆性破壞，保證柱有一定延性能力的重要參數。 根據《混凝土結構設計規范（GB50010-2010）》8.4.8條規定，所取N應為考慮地震組合的最大值Nmax,根據計算結果①對應的N比上述Nmax大的不多，偏安全可取①項的荷載組合。

b.地震周期及層間位移

庫二工程框架自振周期（僅取第一振型）計算結果舉例如下：3 軸（高 49.8m）T1=1.83s；4 軸（高 42.5m）T1=1.53s；5 軸（高 42.5m）T1=1.48s；B 排柱（高 34.6m）T1=2.04s；C 排柱（1～3高 49.8m,其余高 42.5m）T1=1.76s。 根據以往工程經驗，縱向框架自振周期大約2s左右較為合適，以上B、C排柱的自振周期說明了本工程縱向采用純框架抗震是完全可行的。

抗震變形驗算包括小震下的彈性層間變形驗算和大震下薄弱層變形驗算。對于后者，本工程框架滿足不需進行計算的條件（抗震規范4.5.2條）。對于前者，以5軸煤倉間各層為例，位移曲線（第一振型）曲線如左。由圖可見主振型為典型的剪切曲線，彈性層間相對變形遠遠小于規范所要求的1/450。

另外，根據計算結果，第二、第三振型的位移量遠小于第一振型，因為總位移量為三者平方和相加開根，所以計算中可不考慮第二、第三振型的位移量。

3 調整計算結果

目前為止，國內結構設計人員應用PKPM軟件進行結構設計已經非常普遍，盡管使用PKPM軟件可免去大量人工計算，加快出圖速度，但筆者通過多項多層框架工程的設計后發現，多層框架的電算結果仍需進行人工調整，有些梁、柱的最后配筋要憑設計人員的經驗而定。這種不確定性造成有的設計調整放大過于保守，有的不調整時又嚴重不足。為此，下面就框架電算結果的人工調整問題進行探討，并且提出建議，供大家在以后的工作和學習中參考。

（1）框架梁、柱截面尺寸的選擇

設計人員首先根據 《火力發電廠土建技術規范》中表3.1.3《主廠房框排架的梁柱截面尺寸》中建議的梁、柱截面尺寸的取值范圍，結合以往工程及自己的經驗先對所有構件的大小初步確定一個尺寸。此時須注意盡可能使柱的線剛度與梁的線剛度的比值大于1。這是為了實現在罕遇地震作用下，讓梁端形成塑性鉸時，柱端仍可處于非彈性工作狀態而沒有屈服，但節點還處于彈性工作階段的目的。即“強柱弱梁強節點”。將初步確定的尺寸輸入計算機進行試算，一般可得到下述三種結果：（1）部分梁柱僅為構造配筋。此時可根據電算顯示的梁的裂縫寬度和柱的軸壓比大小適當減小梁、柱的截面尺寸再試算；（2）部分梁顯示超筋或裂縫寬度＞0.3mm，部分柱的軸壓比超限或配筋過大（試算時可控制柱的配筋率不大于3%）。此時可適當放大這部分梁、柱的截面尺寸再試算；（3）梁、柱的截面尺寸均合適，勿需調整，此時要進一步觀察梁、柱的配筋率是否合適。

（2）梁、柱的適宜配筋率

原則：掌握配筋率“適中”為宜。這個“適中”指在規范規定的區域內取中間段，其值約相當于定額含鋼量。《混凝土結構設計規范》中規定框架梁的縱向受拉鋼筋最小配筋率為0.2%，最大配筋率為2.5%；框架柱的縱向鋼筋配筋率區間為0.6%～5%。

根據以往工程及自己的經驗，筆者認為對于框架梁，其縱向受拉鋼筋的配筋率取0.4%～1.5%較適宜。對于框架柱，其全部縱向受力鋼筋的配筋率取1%～3%較適宜。梁、柱配筋率的上限在試算在試算階段宜留有一定余地，因為下一部梁、柱配筋的調整還需要一定空間。

（3）框架梁配筋的調整

框架梁顯示的配筋是梁按強度計算的配筋量，調整的目的是解決梁的裂縫寬度超限和“強剪弱彎”的問題。

①縫寬度超限問題

在配筋率一定時，選用小直徑的鋼筋可以增加混凝土的握裹面積、減少梁的裂縫寬度。增大配筋率是減小梁裂縫寬度的直接方法。提高混凝土的強度等級，亦可減小梁的裂縫寬度，但影響較小。設計人如不注意框架梁的裂縫寬度是否超限即出施工圖，這樣的圖紙存在有不符合規范的缺陷。在施工結束后的長期時間范圍內，也存在很大的安全隱患。仔細檢查梁的裂縫寬度，如果改用小直徑的鋼筋后梁的裂縫寬度仍然超限，就要增加梁的配筋或加大梁的截面尺寸，調整至滿足規范要求。

②強剪弱彎問題

框架結構設計中，應力求做到在地震作用下框架梁的梁端斜截面受剪承載力應高于正截面受彎承載力，即“強剪弱彎”。

根據以往工程及自己的經驗，筆者認為具體在調整梁的配筋時，可做以下幾項調整：

a.梁端負彎矩鋼筋可不放大（系數采用1）；

b.梁的跨中受拉鋼筋可放大 1.1～1.3 倍；

c.梁端箍筋的直徑可增加2mm；

d.按構造要求對于跨度大于6m的框架梁設彎起鋼筋。

（4）框架柱配筋的調整

框架柱的配筋率一般都很低，電算結果往往是構造配筋即可。按柱的構造配筋率0.8%配筋，只相當于定額指標的1/2～1/3，有經驗的設計人一般是不會采用的。因為受地震作用的框架柱，尤其是角柱和大開間、大進深的邊柱，一般均處于雙向偏心受壓狀態，而電算程序則是按兩個方向分別為單向偏心受壓的平面框架計算配筋，結果往往導致配筋不足。

根據以往工程及自己的經驗，筆者認為框架柱配筋的調整可做以下幾項：

a.應選擇最不利的方向進行框架計算，也可兩個方向均進行計算后比較各柱的配筋，取其教大值，并采用對稱配筋。

b.調整柱單邊鋼筋的最小根數：柱寬＜=450mm時3根，450＜柱寬＜=750mm時4根，750mm＜柱＜=900mm時 5根。（注意：柱單邊配筋率不小于0.2%）

c.將框架柱的配筋放大 1.2～1.6 倍。 其中角柱放大大些（不小于 1.4 倍），邊柱次之，中柱放小些（1.2 倍）

d.由于多層框架時電算常不考慮溫度應力和基礎不均勻沉降問題，當多層框架水平尺寸和垂直尺寸較大以及地基軟弱土層較厚或地基土層不均勻時，再適當放大一點框架柱的配筋也是可以理解的，具體放大多少，就要由設計人的經驗決定了。

e.框架柱的箍筋形式應選菱形或井字形，以增強箍筋對混凝土的約束。柱箍筋直徑宜增加2mm。

4 結語

以上是筆者在近幾年火力發電廠土建專業設計了多個火電廠工程主廠房框架后的一點體會，主廠房框架計算時各系數較多，本文的分析希望對以后的計算和設計有所幫助。希望本文的分析對同行以后的工作、計算、設計及學習有所幫助。

［1］電力工業部西北電力設計院.火力發電廠土建技術規定[Z].

［2］中華人民共和國建設部，主編.混凝土結構設計規范[S].

［3］中國建筑科學研究院.PKPM工程設計軟件[M].

［4］朱伯龍，張琨聯，主編.建筑結構抗震設計原理[M].同濟大學出版社.