某大型火力發電廠主廠房鋼結構設計

劉斌 李龍

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西太原 030001)

某大型火力發電廠主廠房鋼結構設計

劉斌 李龍

(中國能源建設集團山西省電力勘測設計院有限公司，山西太原 030001)

介紹了“框架—支撐”和“支撐—框架”兩種結構體系的特點，針對山西某大型火力發電廠地處地震高烈度區的實際情況，從抗震概念設計、鋼結構節點設計及工程造價等方面，綜合比較了兩種結構體系的適用性，提出了主廠房鋼結構采用“支撐框架”體系的方案。

火力發電廠，主廠房，鋼結構，結構體系

1 工程概況

山西某火力電廠建設規模為2×350 MW，安裝兩臺燃煤空冷發電機組，主廠房采用鋼結構，總長度144 m。廠址場地地震動峰值加速度0.20g(對應地震烈度為8度)。地震動反應普特征周期為0.35 s，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類。

2 結構體系介紹

1)“支撐—框架”是“鉸接支撐框架體系”的簡稱，它是由柱間支撐和梁柱鉸接的框架構成的鋼結構體系，其豎向荷載由框架柱承擔，側向力由支撐承擔。目前，該體系在國內電廠主要在鍋爐鋼架中使用較多，主廠房鋼結構應用較少。“框架—支撐”是“框架—中心支撐體系”的簡稱，豎向荷載由框架柱承擔，側向力由中心支撐框架和抗彎框架共同承擔。屬于嚴格意義上的雙重抗側力體系，符合GB 50011—2010建筑抗震設計規范中有關多道設防的定義和要求，目前國內各大中型火力發電廠鋼結構主廠房大多數應用該體系。兩種體系的結構簡圖見圖1，圖2。

圖1 支撐一框架體系

圖2 框架一支撐體系

2)兩種結構體系的技術特點對比見表1。

表1 “框架—支撐”與“支撐—框架”特點對比表

3 兩種結構體系的技術經濟對比分析

3.1 抗震性能比較

通過對兩種結構體系定義及特點比較可知，“框架—支撐”屬于兩道設防的抗震體系，而“支撐—框架”體系屬于一道設防的抗震體系，從抗震方面來說，“框架支撐”具有較強的抗震承載能力，相對較大的適用范圍，但是，在提高抗震能力的同時，也帶來了計算和其他方面需滿足更高要求問題;“支撐—框架”體系因為一道設防的“先天不足”，在抗震承載能力和適用范圍方面有較大的局限性，例如在電廠主廠房的設計中，“支撐—框架”體系為彌補抗震上的不足(一道抗震設防)，需增加支撐數量，這給電廠工藝布置和運行增加了困難和不便。

3.2 節點設計制作比較

對于電廠的鋼結構主廠房，兩種結構體系的梁、柱一般均采用焊接H形截面，“支撐—框架”體系的梁柱連接采用的是鉸接方式，一般情況下，橫向鋼梁通過端部的連接件(角鋼或節點板)與豎向鋼柱采用高強度螺栓連接，這種螺栓連接的方式構件制作相對簡單，也便于工廠化的制作和現場的安裝。而“框架—支撐”體系的梁柱連接節點為剛性連接，為減少現場焊接的工作量，采用預先在工廠焊接短懸臂梁段與柱，柱翼緣與懸臂梁段梁翼緣的連接方式為全熔透坡口焊縫，焊縫等級通常為一級焊縫，要求較高，加工和檢測的任務繁重。懸臂梁段到現場后與梁的中間段拼接方式為翼緣對接焊、腹板螺栓連接或全部為螺栓連接。“框架—支撐”體系的這種連接方式，因焊接量較大，且質量要求較高，與“支撐—框架”相比，在節點的制作和連接不占優勢。

“支撐—框架”體系中，支撐構件與梁柱通過單節點板連接。而支撐構件與節點板、節點板與梁、柱構件一般采用高強螺栓連接;采用這種連接方式，各類構件的制作較為簡單，現場安裝也十分的便利，對工人的技術水平要求不高。“框架—支撐”體系中的的支撐構件與梁柱的連接，通常采用是支撐端部段在工廠中直接焊于梁、柱節點上，支撐中部段在現場通過拼接的做法與工廠中已經焊接在梁柱節點上的支撐端部段連接，且支撐桿端一般要求做成圓弧狀。圖3，圖4為兩種結構體系的典型節點形式。通過比較，“框架—支撐”體系的支撐與梁柱連接節點比“支撐—框架”體系的制作要復雜。

3.3 經濟性比較

基于兩種體系的受力特點，“支撐—框架”結構體系理論上可以減少主廠房柱斷面和支撐的斷面，可以節約鋼材，但對高烈度區的抗震設防要求有降低，原因如下。

圖3 支撐一框架典型節點

圖4 框架一支撐典型節點

1)“框架—支撐”體系因為抗側力構件相對“支撐—框架”要強得多，也就是側向剛度較大，所以其自振周期相對“支撐—框架”體系要小。即在實際的設計中“框架—支撐”體系各類構件的截面一般比“支撐—框架”體系要大，“支撐—框架”體系的各類構件的截面雖小，但結構的整體剛度也有所提高，對抵抗地震作用及抵御變形是非常有利的。

2)“支撐—框架”體系因其支撐為唯一的抗側力構件，支撐的應力比在設計時通常較大，為達到降低用鋼量的目的，其最大的應力比已接近1.0。而“框架—支撐”體系，為滿足多道設防的要求，其支撐構件必須按照《建筑抗震設計規范》規定進行加強，如其內力的設計值要乘以1.5的內力增大系數，考慮到地震作用的循環往復，支撐的設計強度還要乘以降低系數來進行設計，所以構件的截面面積明顯增加，用鋼量也隨之增加，但同時也提高了結構安全的冗余度。“支撐—框架”結構體系雖能降低用鋼量，但是應力比已經接近1.0，如支撐發生破環，結構體系有垮塌的危險可能性，這與抗震設計中的多道設防的要求是不相符合的，所以在高烈度地區這種體系一般不建議采用。

3)因為“框架—支撐”體系中，梁和柱的連接為剛性連接，這種連接方式通過塑性內力重分布，能減小豎向荷載作用下與之相連的橫向鋼梁的跨中彎矩，因此橫向鋼梁的截面一般比“支撐—框架”體系中的橫向鋼梁斷面小。在實際計算和工程中，橫梁的用鋼量“框架支撐”比“支撐—框架”降低了約10%。

4)關于連接部件和其他附件的鋼材量，對于“支撐—框架”體系的鋼結構主廠房，通過對“新疆喀什電廠”用鋼量統計，占主廠房鋼結構全部主材量的比例約為8%;而對于“框架—支撐”體系的鋼結構主廠房，通過對國內已實施的工程統計，其占主廠房結構全部主材質量的比例一般不超10%。兩種體系的鋼結構主廠房高強度螺栓的使用數量，“支撐—框架”體系中各類構件的連接均為螺栓連接，而“框架—支撐”體系中，通常僅梁和支撐的腹板采用螺栓拼接，上下翼緣一般采用焊接連接。附件和螺栓的數量及質量雖尚未進行統計，但估計“支撐—框架”體系的用量要小一些。

理論上“支撐—框架”結構體系可以節約用鋼量，但是實際工程中的應用卻受多方面條件的制約，效果并不理想，如國內的各類規范，對支撐—框架體系無明確規定，造成了設計單位的“無據可依”，再者實施案例較少，經驗性的內容無從談起。出于安全余度的考慮這種節約的效果可能并不明顯。

目前已知實施的“支撐—框架”結構體系的鋼結構主廠房，為華電新疆喀什火力發電廠，裝機容量為2×35 MW，與忻州火力發電廠容量相同，兩處廠址的地震基本烈度均為8度，場地類別稍有不同，喀什為Ⅱ場地土，地震峰值加速度0.3g，忻州為Ⅲ場地土，地震峰值加速度0.2g。經過與施工方的調研，喀什工程的主廠房總用鋼量為6 490 t(施工圖用量)，因為工藝布置的不同，喀什工程有毗屋，現從總用鋼量中核減掉毗屋的用鋼量283 t，總用鋼量為6 207 t，考慮到基本加速度因素(喀什為0.3g，忻州為0.2g)，現喀什工程的用鋼量按原來的90%計列，總用鋼量為5 586.3 t，忻州主廠房總用鋼量為5 610.6 t(初設階段工程量，未優化)，同等條件下兩種體系的主廠房用鋼量差距僅為24.3 t，主廠房分項用鋼量比較見表2。可見從用鋼量上比較，“支撐—框架”結構體系并未見優勢。“框架支撐”體系雖用鋼量有所增加，但從抗震角度，該體系的優勢是顯而易見的。

表2 “新疆喀什”與“忻州廣宇”主廠房分項用鋼量對比 t

4 結論及建議

“支撐—框架”體系雖有足夠的抗震承載能力，但其也有“一道抗震設防”的先天不足，“罕遇地震”下的剛度急劇衰減的風險。與之相比，高烈度區的主廠房采用“框架支撐”體系是合理的，目前國內99%的電廠主廠房采用“框架—支撐”體系。“支撐—框架”結構與“框架支撐”體系相比，在加工和安裝上具有諸多優點，但目前國內無相關規范，這也造成了設計、施工等環節的“無據可依”，再者目前實施的同等規模的工程全國僅有一例，可參考的實踐經驗寥寥。“支撐—框架”體系的鋼結構廠房與“框架—支撐”體系的鋼結構廠房相比，從概念設計和理論分析上可節約一定的鋼材用量，但通過忻州相同機組容量的喀什發電廠工程的調研，用鋼量僅節約24.3 t，經濟效益并不明顯。基于各種條件的綜合，忻州火力發電廠鋼結構主廠房采用了“框架—支撐”結構體系。

［1］崔 佳.鋼結構設計規范理解與應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［2］GB 50011—2010，建筑抗震設計規范［S］.

［3］DL 5022—2012，火力發電廠土建結構設計技術規程［S］.

On steel structural design of main workhouse in some large heat-engine plant

Liu Bin Li Long
(Shanxi Power Survey and Design Institute Co.，Ltd，China Energy Engineering Corporation Limited，Taiyuan 030001，China)

The paper introduces the features of the“framework-support”and“support-framework”structural systems，undertakes the comprehensive comparison of the two systems from the seismic concept design，joint design of steel structures，and engineering cost according to the fact of some large heat-engine plant in some high intensity earthquake zone，and points out the“support-framework”can be adopted in the steel structure of the main workhouse.

heat-engine plant，main workhouse，steel structure，structural system

TU391

:A

1009-6825(2016)36-0046-02

2016-10-18

劉 斌(1979-)，男，碩士，工程師