分析火力發電廠主廠房結構抗震性能

肖元清（四川電力設計咨詢有限責任公司，四川　成都　610041）

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分析火力發電廠主廠房結構抗震性能

肖元清（四川電力設計咨詢有限責任公司，四川成都610041）

鋼筋混凝土框排架結構是我國火電廠主廠房常用的結構形式，由于其質量和剛度分布不均勻，為了保證電廠安全運行，對火電廠主廠房結構進行彈塑性地震響應分析顯得尤為重要。以某實際工程為研究對象，通過對框架在幾種不同設計烈度情況下的計算分析，對執行《火力發電廠土建結構設計技術規定》（以下簡稱《土規》）中規定的8度地震情況下主廠房縱向結構采用框架加抗震支撐或抗震墻的抗震措施的條文進行了分析，提出：對小型火力發電廠，結合工程的具體情況和特點，采用縱向框架自身抗震體系方案是比較合適的。本文對小型火力發電廠主廠房結構的抗震性能提供一些設計經驗，供設計者參考。

火力發電廠；廠房結構；抗震性能評價

引言

目前火力發電廠主廠房的抗震設計已成為主廠房結構設計的一項重要內容。由于地震是一種比較復雜的力學現象，到目前為止，我們對建（構）筑物的地震破壞機理還不十分清楚；對許多地震破壞現象還只停留在感性認識階段；對所有地震荷載的計算和建（構）筑物抗震計算原理，都只能認為是一種近似方法。目前一些規范及有關資料雖然提出了一些抗震設計的基本原則和對建（構）筑物的抗震措施，但仍是以大量的宏觀調查和對各類建（構）筑物震害分析的結果為基礎的。對于火力發電廠主廠房結構的抗震設計，《土規》中作了一些明確的具體的規定，要求設計人員嚴格執行。然而這些規定尚需隨著人們對廠房抗震性能問題的探入認識和設計實踐，不斷地修改完善，才能達到使設計技術先進、安全可靠、經濟合理的效果。

1　對火力發電廠縱向結構抗展措施選擇問題的分析

設計烈度進入8度后，對于結構的設計、構造都有了一些不同于7度設計烈度的特殊要求。不僅在荷載計算上水平地震力增大了，對于懸壁結構、高柔結構等還要考慮垂直地震荷載的作用。而且《土規》中規定，對于設計烈度為8度的主廠房的縱向結構，可采用鋼筋混凝土框架加抗震支撐的縱向結構抗震措施方案。然而對于執行這一規定，根據已完成的主廠房結構設計的工程經驗，筆者認為，對于小機組的火力發電廠，特別是廠房柱距較少的擴建主廠房結構，采用縱向框架自身抗震措施的方案是比較合適的。

下面以某發電廠二期供熱工程主廠房設計加以討論：

本工程是在某發電廠一期供熱工程的基礎上擴建的，本期安裝一臺6千kW抽氣背壓式機組和一臺65t/h鍋爐，主廠房平面柱網布置見圖1。根據《土規》的規定，該主廠房各縱向柱列均采用了框架加抗震支撐的縱向結構抗震措施。并根據抗震支撐應布置在使結構的剛度中心接近于質量中心的原則和綜合工藝專業的要求等，將抗震支撐均布置在縱向結構的端部柱間內。

圖1　主廠房平面柱網布置圖

由于本工程主廠房縱向柱子少，這樣在縱向柱列兩端加上抗震支撐后，雖然滿足了《土規》的要求，但卻產生了一些不利的因素：

（1）工藝上管道及設備的布置受限制，即管道從支撐位置處穿過時，需考慮管道與支撐相碰的問題。

（2）對建筑物的造型設計有一定的影響。

（3）建筑物的功能使用上受到影響。如除氧間和煤倉間運轉層的廠房橫向通道的布置受到很大的艱制，因兩端不能設門洞口，只能在中部柱間設置，使通道的布置不靈活，運行不方便。

（4）根據抗震的受力特點，支撐所受的地震力應保證直接傳給基礎。因此須在零米以下至柱基礎底面或頂面設計成板式的壓桿。這樣就給工藝地下溝、管道的布置及結構設計帶來了一定的困難。因為廠房縱向柱子間隔少，使廠房內溝、管道的走向和標高受到很大艱制，有的溝道，如排水溝又必須在支撐下面通過，這樣對結構的處理是非常復雜和麻煩的。

對于上述的一些問題，雖然在實際工程設計中采取了一些相應的技術措施把它們解決了，但卻不夠合理。這就向我們提出了一個很實際的問題，即對于這類小型火力發電廠的縱向結構是否可優先選擇縱向框架自身抗震措施而不加設抗震支撐或抗震墻呢？筆者以某發電廠二期供熱工程主廠房1/D軸框架為例（荷載較大的框架），對不同地震設計烈度的情況（即無地震、7度地震、8度地震、9度地震四種情況）進行了計算分析。框架計算從略。

現取計算結果中的典型節點（26號節點）和柱（38號柱）內力進行分析，見表1～2。

表1　26號節點結構位移分析表

由表1～2看出：

（1）位移。7度、8度時結構總位移和相對位移均滿足允許值的要求，而進入9度后，相對位移增大到1/156，超過允認值1/300，此時結構位移太大，已不安全。結構層間相對位移均滿足要求；

（2）柱內力及配筋。從38號柱的計算結果看，7度、8度兩種情況下柱子的內力不同，但柱端的最大配筋量相同，未出現8度時的配筋大于7度時配筋的情況。再看非地震情況的計算結果，在非地震情況下與7度、8度地震情況算得的配筋量均相同，這說明柱子的配筋不受地震荷載控制。之后我們再看9度地震的情況，此時柱的內力值增大很多，配筋量急劇增加，38號柱已處于地震力控制下。

總之，從計算結果及分析看出，9度地震以上，在地震力的作用下結構已不安全了，而8度地震以下均能滿足結構強度與穩定的要求。

2　結構的動力特性分析

在SAP2000中計算得到的鋼筋混凝土主廠房結構的振型質量參與系數見表3，由表3可知：

表3　鋼筋混凝土主廠房的振型質量參與系數

（1）第1階振型為橫向平動，其橫向質量參與系數為82%；

（2）第2階振型為縱向平動，其縱向質量參與系數為68%，存在一定程度的繞Z軸的轉動；

（3）第3階振型為繞Z軸的轉動，縱橫向的質量參與系數很小，這不代表該振型對結構地震響應的貢獻也很小，相反，扭轉振型將給結構的抗震設計帶來很不利的影響。

3　罕遇地震下結構彈塑性時程分析

3.1材料

（1）鋼筋：采用Clough三線性模型如圖2所示。考慮包辛格效應，在循環過程中考慮了剛度退化，以此來模擬鋼筋與混凝土的聯結滑移效果。

圖2　鋼筋的clough三線性模型

（2）混凝土：采用混凝土單軸本構模型與美國太平洋地震工程中心開發的OPENSEES中的concrete02模型相同，其受壓骨架線如圖3所示。

圖3　混凝土骨架曲線

3.2構件損傷

（1）構件損傷程度不高，沒有構件損傷達到較嚴重破壞階段，結構構件全部滿足極限承載力要求；

（2）柱出現損傷的部位主要集中在底層、煤斗層和錯層處，其他部位框架柱基本保持彈性。A列底部支撐壓屈，但對于對角支撐，即便一個支撐壓屈，仍有另外一個提供拉力，能夠為框架提供支撐作用。除非支撐受拉也進入塑性階段支撐才進入失效狀態，該結構中支撐仍能發揮作用；

（3）按照《建筑抗震設計規范》的規定，該結構在7度半罕遇地震作用下的抗震性能可以達到第4水準，相應于性能目標3，整體結構的抗側力未明顯下降。

采用ABAQUS計算了火力發電廠主廠房結構在罕遇地震作用下的結構響應，并對結構的主要抗震性能進行了分析與評價，由于國內鋼筋混凝土主廠房結構的相似性和結構模型的典型性，分析得到的結論對于國內常見的火電廠主廠房也具有一定的適用性。根據分析結果可以知道：

（1）由于火電廠主廠房內部多錯層，結構局部樓層在地震作用下層間位移角有所突變，形成薄弱層，在設計時應引起重視，加強薄弱部位的抗震措施；

（2）構件損傷較嚴重的部位主要集中在底層、煤斗層和錯層處，但損傷程度最大為中度損傷，均未超過構件的最大承載力，在7度半罕遇地震作用下，大型火電廠主廠房結構的整體抗震性能和各類構件的抗震性能均滿足設計要求，能夠滿足規范“大震不倒”的要求。

4　結束語

綜上所述，通過典型實例計算分析，可以看出，對于地震區小型火力發電廠主廠房結構，當荷載相對較小，廠房的高度不太大時，如果廠房縱向框架結構計算屬于非地震力控制，或雖受地震力控制，但結構的地震力計算又能滿足要求的情況，在結構上進行適當的處理，不采用框架加抗震支撐或抗震墻的方案，而優先采用框架自身抗震的方案是比較合適的。這樣即可避免由于抗震支撐或抗震墻給工藝和建筑結構上帶來的不利因素，使我們電廠各專業的整體設計更加經濟合理。

［1］宋遠齊，汪小剛，溫彥鋒，等.大型火電廠主廠房框排架結構彈塑性時程反應分析［J］.工業建筑，2015，40（1）：51～54.

［2］吳 濤，劉伯權.大型火力發電廠鋼筋混凝土框排架主廠房平扭耦聯地震反應分析［J］.工業建筑，2014，34（11）：26～29.

［3］黃忠海，廖 耘，李盛勇，等.廣州珠江新城東塔罕遇地震作用彈塑性分析［J］.建筑結構學報，2012，33（11）：82～90.

肖元清（1980-），男，漢族，工程師，碩士研究生，主要從事電力行業設計、咨詢工作。

TU352.1+1

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2095-2066（2016）13-0012-02

2016-4-10