某百萬機組電廠煤倉間框架結構優化設計

劉建偉 萬 力 李國田 付 偉

(1.河南省電力勘測設計院，河南 鄭州 450007;2.國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

0 引言

優化設計是提升勘測設計質量，形成新的競爭優勢和可持續發展能力的一項重要戰略舉措。作為我院設計的第一座單機容量1 000 MW的火力發電廠，優化設計理念貫穿始終。在電廠煤倉間框架結構設計過程中，從主廠房整體布置，到煤倉間框架結構形式的選擇，框架梁柱截面的確定和框架配筋，都認真貫徹執行了優化設計，達到了良好的效果。

1 設計條件

電廠位于河南省平頂山境內，抗震設防烈度6度(設計基本地震加速度0.05g，地震分組為一組)，主要建筑物抗震設防類別為乙類，建筑場地類別Ⅰ類，抗震構造措施設防烈度6度，煤倉間抗震等級為三級，50年一遇基本風壓為0.45 kN/m2。

2 煤倉間框架結構優化

根據工藝推薦方案，電廠主廠房采用側煤倉布置，煤倉間橫向布置于兩爐間(爐側)，與汽機房分開為兩個獨立結構單元。“側煤倉”方案避免了常規四列式布置中除氧間與煤倉間聯合布置而導致的錯層問題，優化了豎向結構體系，改善了結構抗震性能，使結構受力更簡潔，結構體系在水平荷載作用下的變形更均勻、更規則，同時，汽機房與煤倉間分離布置后，避免了煤斗地震力向汽機房的傳遞，有利于提高電廠核心區域——汽機房的抗震安全性。因而，電廠煤倉間采用的是獨立鋼筋混凝土框架結構的“側煤倉方案”。

2.1 煤倉間框架結構形式和梁柱截面尺寸的優化

電廠煤倉間框架結構軸線尺寸為81 m×19.4 m×54.55 m(長×寬×高)，共9榀框架。截止目前尚無百萬機組荷載的明確規定，也無相同機組的設計經歷，因而在初始階段只能依據60萬機組設計經驗、收口資料和工藝大荷載進行框架結構形式的布置和梁柱截面的確定，并初步擬定了兩個方案，方案一和方案二框架剖面圖見圖1。

兩個方案整體布置相近，其主要區別在于根據兩方案的結構布置特點調整了內部框架柱的高度和框架梁、柱截面。其中方案一內部框架柱頂標高為29.5 m煤斗層，方案二內部框架柱頂標高為38.0 m煤斗止晃層，并且柱截面在17 m，29.5 m進行兩次變截面，由方案一的1 000×1 200修改為1 000×1 000，1 000×800，煤斗止晃層框架梁截面由方案一的600×2 000縮減為500×1 500，方案二其余各層梁截面高度較方案一也均有所降低。

經過模型計算和比較，最終選擇方案二為本工程煤倉間框架的結構設計方案。選擇方案二，主要有以下原因:1)由于煤倉間在38.0 m層是個煤斗止晃層，煤斗止晃層需要承受煤斗產生的水平晃動荷載和地震水平作用，而在方案一中，這部分荷載完全依賴于本層的框架梁來承擔，導致本層梁和框架結構受力不利;2)方案二在解決煤斗止晃層荷載傳遞不利的同時還降低本層框架梁的截面高度，有效增加了主廠房的凈空，避免了“胖柱肥梁”現象。

圖1 煤倉間方案豎向布置圖

2.2 框架結構配筋優化

煤倉間框架結構形式和梁柱截面確定后，進一步從煤倉間框架的材料選擇、荷載取值、計算系數和細部構造等方面對煤倉間框架配筋進行了優化。

1)材料選擇。提高材料強度一方面可有效降低材料用量，減少結構自重;另一方面也可降低梁柱板尺寸，有效增加主廠房凈空。具體措施有:

a.無特殊要求的填充墻全部采用輕質材料;b.煤倉間框架結構混凝土等級由原來的C30提高為C45;c.受力鋼筋由原來的HPB235，HRB335級提高為HRB400級。

2)荷載取值。煤倉間框架結構計算的荷載取值，嚴格遵循《火力發電廠土建結構設計技術規程》(以下簡稱《土規》)和《火力發電廠主廠房荷載設計技術規程》(以下簡稱《荷載規程》)要求，并對相關規定進行了細化。

a.樓(屋)面活荷載按《土規》要求進行了折減，樓層活荷載分區布置，避免在荷載布置時只取最大荷載布置而造成的荷載放大;b.折減后不小于4 kN/m2樓(屋)面活荷載分項系數取為1.3;c.管道荷載乘0.9折減系數;d.主廠房屋面不考慮積灰荷載和雪荷載;e.樓(屋)面活荷載各組合值系數按《荷載規程》表7.0.4取值，設備、管道荷載各組合值系數按《荷載規程》6.6條取值，風荷載各組合值系數按《荷載規程》9.1.3條取值。

3)模型計算分析中各項系數的取值。在模型計算中，有很多參數對計算結果的影響較大，在滿足規范要求前提下，通過對某些關鍵參數的調整，可在一定程度上降低配筋的計算量，為梁柱結構配筋的優化提供依據。

a.內力計算的相關參數按實際取值，如梁端負彎矩調幅系數取0.8，梁活荷載內力放大系數取1.0等;b.梁柱截面和配筋均不進行歸并，主筋選筋庫中鋼筋直徑全選，配筋放大系數取1.05，若需調整可在梁柱施工圖中人工選擇;c.梁柱受力鋼筋的直徑盡量取兩種;d.箍筋、架立筋、腰筋等構造鋼筋，不人為提高直徑和數量。

4)細部構造設計及措施。a.增加主筋和箍筋直徑類別，按計算配筋面積配置，受力主筋采用兩種直徑鋼筋以最接近計算面積的方式搭配使用，避免了因鋼筋歸并造成的鋼筋面積加大的現象;b.按照規范要求設置附加吊筋，不任意加大吊筋直徑和根數;c.改變箍筋設置形式，部分梁柱復合封閉套箍筋改為拉結筋;d.框架結構受力鋼筋采用機械接頭以減少鋼筋搭接長度。

實施以上措施，設計工作量會增加很多，設計人員需要不厭其煩地計算→調整→再計算→再調整，框架梁柱截面的配筋形式和鋼筋類型也會更復雜多樣。優化前后煤倉間主框架配筋對比詳見表1。

表1 優化前、優化后煤倉間～軸主框架配筋對比表

表1 優化前、優化后煤倉間～軸主框架配筋對比表

軸號 類別優化前 優化后混凝土量/m3鋼筋量kg鋼筋含量kg/m3混凝土量/m3鋼筋量kg鋼筋含量kg/m3～總計柱234.48 53 977 230.20梁113.1 28 740 254.11柱1 213.13 379 833 313.10梁508.00 155 793 306.68柱271.58 71 659 263.86梁151.5 37 745 249.14柱186.88 45 986 246.08梁151.55 39 048 257.66柱186.88 32 041 171.46梁94.4 19 003 201.30柱2 092.97 585 100 279.56梁1 018.55 280 329 275.22 237.98 311.20 258.59 251.26 187.16 278.14 234.48 47 176 201.19 113.1 26 480 234.13 1 213.13 279 710 230.57 508.00 148 375 292.08 271.58 59 656 219.65 151.5 34 314 226.50 186.88 41 582 222.51 151.55 37 189 245.39 186.88 32 445 173.61 94.4 17 275 182.99 2 092.97 460 569 220.06 1 018.55 263 633 258.83 211.91 248.72 220.93 232.75 176.76 232.75

根據表中統計結果，經過優化，煤倉間橫向框架鋼筋體積含量減少了45.39 kg/m3，鋼筋用量降低了近20%。

3 結論及建議

在此百萬機組電廠煤倉間框架優化設計中，通過對結構形式和梁柱尺寸進行優化，使得煤倉間結構布置更合理，受力更明確，通過對框架配筋進行優化，煤倉間框架鋼筋用量降低了近20%，節約工程投資近百萬元，達到了降低工程造價的目的，取得了顯著的經濟效果。

通過百萬機組電廠煤倉間框架優化設計，筆者對優化設計有了更深刻的認識:優化設計首先要明確目標，即在滿足使用功能及規范要求的情況下最大限度的降低工程造價，節約工程投資;其次優化設計要注重過程控制，力求在設計的每一個階段做到最優。對于結構專業而言，過程控制主要在以下兩個階段實現:一是在結構的布置方案階段，二是在結構的配筋計算和細部構造設計階段。

［1］DL 5022-93，火力發電廠土建結構設計技術規程［S］.

［2］DL/T 5095-2007，火力發電廠主廠房荷載設計技術規程［S］.