高烈度地震區(qū)側(cè)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)選型及抗震性能分析

趙春曉，趙志

(河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，石家莊市，050031)

0 引言

火力發(fā)電廠主廠房布置越來(lái)越多地采用模塊化設(shè)計(jì)，側(cè)煤倉(cāng)布置則因能減小主廠房體積、節(jié)省工藝4大管道投資、降低A列到煙囪的距離指標(biāo)等優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。側(cè)煤倉(cāng)布置在2臺(tái)鍋爐之間，為1個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體系。在水平布置上，除端頭轉(zhuǎn)運(yùn)站處之外，其他均為較規(guī)則的結(jié)構(gòu);但在豎向布置上，由于給煤機(jī)層、煤斗支撐層、皮帶層等設(shè)備荷載相差很大(相應(yīng)框架梁剛度相差亦很大)，同時(shí)綜合各層樓板開(kāi)洞、端頭布置樓梯間、高位布置轉(zhuǎn)運(yùn)站等因素，因此豎向布置很不規(guī)則。特別是當(dāng)采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)時(shí)，梁高為3 m左右的煤斗大梁處“強(qiáng)梁弱柱”的存在，使側(cè)煤倉(cāng)間框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一些在抗震概念設(shè)計(jì)方面的薄弱環(huán)節(jié)。因此，地震高烈度區(qū)側(cè)煤倉(cāng)間結(jié)構(gòu)選型及抗震性能至關(guān)重要。

1 工程概況

本文所結(jié)合的工程位于抗震設(shè)防烈度為8度的區(qū)域，場(chǎng)地土類別為Ⅲ類。300 MW供熱機(jī)組的主廠房布置采用側(cè)煤倉(cāng)方案，側(cè)煤倉(cāng)間高度為39.6 m，橫向跨度為8.8 m+14 m+8.8 m(共3跨)，縱向6個(gè)柱距，柱間距為9，12 m，煤倉(cāng)間總長(zhǎng)度為57 m。煤倉(cāng)間共分4 層，標(biāo)高分別為 ±0、12.6、33.6、39.6 m 層，皮帶層屋頂標(biāo)高39.6 m。其中±0 m層布置磨煤機(jī)，12.6 m為給煤機(jī)層，33.6 m為皮帶層，39.6 m層為老虎頭。側(cè)煤倉(cāng)間框架布置如圖1所示。

2 側(cè)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)選型原則

側(cè)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)布置需滿足工藝設(shè)備布置、管道安裝及檢修空間利用等要求，同時(shí)還應(yīng)該滿足結(jié)構(gòu)承載力、變形等要求。對(duì)于抗震高烈度區(qū)的側(cè)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)，建筑抗震設(shè)防類別為乙類。

圖1 側(cè)煤倉(cāng)間布置Fig.1 Arrangement diagram of side bunker

合理的抗震設(shè)計(jì)，除了要滿足結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算，更重要的是做好結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)，主要包括以下幾點(diǎn)［1-3］:

(1)應(yīng)具有簡(jiǎn)單、規(guī)則、對(duì)稱、質(zhì)量和剛度變化均勻的結(jié)構(gòu)形式。

(2)結(jié)構(gòu)體系具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖、合理的力傳遞路徑、合理的強(qiáng)度和剛度分布、良好的變形能力。

(3)各類構(gòu)件應(yīng)具有必要的強(qiáng)度和變形能力(或延展性)。

(4)各類構(gòu)件之間應(yīng)具有可靠的連接。

(5)抗震結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng)應(yīng)能保證地震時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3 規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)選型的規(guī)定及分析

主廠房通常采用的結(jié)構(gòu)方案有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)2種，但是由于2種結(jié)構(gòu)形式抗震延性不同，規(guī)范對(duì)鋼筋混凝土框架的適用高度限制較嚴(yán)。GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］第 6.1.1 條規(guī)定:抗震措施設(shè)防烈度8度時(shí)，現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)最大適用高度為40 m;抗震措施設(shè)防烈度9度時(shí)，現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)最大適用高度僅有24 m。當(dāng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的房屋高度超過(guò)最大適用高度時(shí)，應(yīng)通過(guò)專門(mén)研究，采用有效加強(qiáng)措施，如采用型鋼混凝土構(gòu)件、鋼管混凝土構(gòu)件等。文獻(xiàn)［4］第6.1.3條中第4條規(guī)定:當(dāng)甲乙類建筑按規(guī)定提高1度，確定其抗震等級(jí)，而房屋的高度超過(guò)本規(guī)范規(guī)定的上界時(shí)，應(yīng)采取比一級(jí)更有效的抗震構(gòu)造措施。

600 MW/1 000 MW機(jī)組主廠房的側(cè)煤倉(cāng)間框架結(jié)構(gòu)高度一般為50～55 m，300 MW機(jī)組側(cè)煤倉(cāng)框架結(jié)構(gòu)高度一般為40～45 m，再考慮剛度不均勻結(jié)構(gòu)的最大適用高度折減，側(cè)煤倉(cāng)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)高度均已超過(guò)以上規(guī)范的限高要求，因此宜采用型鋼混凝土結(jié)構(gòu)、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)等形式。

4 側(cè)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)選型

為滿足高烈度區(qū)抗震設(shè)計(jì)要求，電廠主廠房結(jié)構(gòu)形式一般采用鋼結(jié)構(gòu)(鋼支撐-鋼框架結(jié)構(gòu))和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(鋼筋混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu))。高烈度地震區(qū)側(cè)煤倉(cāng)宜采用型鋼混凝土柱-分散剪力墻結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)較為充分地利用了混凝土、鋼結(jié)構(gòu)2種材料的優(yōu)點(diǎn)。在側(cè)煤倉(cāng)鋼筋混凝土柱內(nèi)配置軋制型鋼或焊接型鋼，充分利用混凝土的高抗壓性能和鋼材的高抗拉壓性能，使鋼筋混凝土與型鋼形成整體，共同受力，從而大大提高鋼筋混凝土柱的抗震延性，實(shí)現(xiàn)“強(qiáng)柱弱梁、強(qiáng)剪弱彎”的抗震設(shè)計(jì)。

型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在具有很強(qiáng)的抗震性能，這在日本多次大地震中已得到了充分的驗(yàn)證。日本地震高發(fā)區(qū)抗震規(guī)范規(guī)定:高度超過(guò)45 m的建筑物不得使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，而型鋼混凝土結(jié)構(gòu)則不受此限制［5］。

側(cè)煤倉(cāng)采用型鋼混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，工程初期投資比鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省明顯。就本工程而言，側(cè)煤倉(cāng)采用型鋼混凝土框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，比采用鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省初期投資約400萬(wàn)元。同時(shí)，還避免了高額的后期維護(hù)費(fèi)用。

5 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)側(cè)煤倉(cāng)抗震性能分析

本文以前述工程側(cè)煤倉(cāng)布置為例對(duì)其型鋼混凝土框架柱-分散剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震性能分析。柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)C50，抗震等級(jí)一級(jí)，橫向框架抗震等級(jí)大于一級(jí)。中間跨柱斷面800 mm×1 200 mm;中間配置型鋼900 mm×400 mm×18 mm×26 mm;邊跨柱斷面700 mm×1 000 mm;剪力墻厚度500～700 mm。

5.1 承載能力

由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)中的型鋼可不受鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)配筋率的限制，通過(guò)調(diào)整型鋼斷面，它的承載力可以達(dá)到同外形同類構(gòu)件承載力的1.5倍以上。對(duì)于本工程而言，在配置上述型鋼的情況下，相同混凝土截面柱鋼筋混凝土-型鋼組合構(gòu)件截面抗彎剛度為混凝土結(jié)構(gòu)的1.15倍，截面軸向剛度為混凝土構(gòu)件的1.2倍。因此，其抗彎、抗壓能力均得到有效提高。

5.2 變形能力

在彈性設(shè)計(jì)階段，型鋼混凝土與混凝土結(jié)構(gòu)變形能力差別不大，形狀相同的斷面尺寸，計(jì)算層間位移角數(shù)值基本接近;而在塑性設(shè)計(jì)階段，型鋼混凝土框架最大彈塑性層間位移角比混凝土結(jié)構(gòu)增大明顯，表明型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)在達(dá)到破壞荷載后，仍能確保在承載能力不顯著降低的條件下，擁有良好的塑性變形能力［2］。這一點(diǎn)在本工程實(shí)際計(jì)算中也得到了驗(yàn)證。表1為工程相同斷面混凝土框架柱的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和型鋼混凝土結(jié)構(gòu)位移計(jì)算值。

表1 鋼筋混凝土和型鋼混凝土結(jié)構(gòu)變形能力比較Tab.1 Comparisons of deformation between reinforced concrete and steel reinforced concrete structure

5.3 抗震設(shè)計(jì)計(jì)算指標(biāo)

采用系列軟件對(duì)本工程選定的型鋼混凝土柱-分散剪力墻結(jié)構(gòu)側(cè)煤倉(cāng)間進(jìn)行了彈性、靜力彈塑性分析計(jì)算，分析其抗震性能。彈性階段主要抗震指標(biāo)如表2所示，彈塑性階段主要指標(biāo)如圖2所示。

表2 型鋼混凝土結(jié)構(gòu)側(cè)煤倉(cāng)彈性階段主要抗震指標(biāo)與計(jì)算結(jié)果對(duì)比情況Tab.2 Comparisons between seismic index and calculated results for side bunker with steel reinforced concrete structure

由圖2可以看出，整體結(jié)構(gòu)阻尼比大于彈性阻尼比5%，結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段，能力譜曲線均能穿越需求譜曲線。

6 結(jié)語(yǔ)

圖2 型鋼混凝土框架柱－分散剪力墻結(jié)構(gòu)能力譜－需求譜圖(橫向)Fig.2 Relationship between capacity spectra and demand spectra for steel reinforced concrete structure

本文所述的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析表明:在高烈度地震區(qū)主廠房側(cè)煤倉(cāng)采用型鋼混凝土柱-分散剪力墻結(jié)構(gòu)是安全可行的。針對(duì)剛度和強(qiáng)度分布不均勻以及由于工藝布置造成的梁剛度大于柱剛度的主廠房側(cè)煤倉(cāng)結(jié)構(gòu)，在鋼筋混凝土柱中加入型鋼，形成組合結(jié)構(gòu)，不僅有效地提高了鋼筋混凝土柱屈服后的變形能力，同時(shí)也相應(yīng)提高了柱抗剪承載能力，防止結(jié)構(gòu)在過(guò)大層間變形后發(fā)生整體倒塌。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)已在高層建筑和橋梁結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，但目前在火力發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還較少，其詳細(xì)的連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)和施工值得深入研究。

［1］吳濤，白國(guó)良，劉伯權(quán).大型火力發(fā)電廠鋼筋混凝土框排架主廠房結(jié)構(gòu)抗震性能試驗(yàn)研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2007，28(3):46-52.

［2］鄭山鎖，鄧國(guó)專，李磊，等.型鋼高強(qiáng)高性能混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，2009，26(5):88-93.

［3］白國(guó)良，劉志欽，康靈果.型鋼混凝土框排架結(jié)構(gòu)主廠房擬動(dòng)力實(shí)驗(yàn)研究［J］. 世界地震工程，2009，25(3):55-60.

［4］GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［5］JGJ 3—2002高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.