火力發電廠鋼結構主廠房結構設計方案的分析

郎 發 海

(西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

火力發電廠鋼結構主廠房結構設計方案的分析

郎 發 海

(西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

對火力發電廠房設計方案進行分析，從安全性和可靠性方面出發對傳統鋼結構設計方案進行改進。提出整體結構設計方法、連接點設計方法、汽機房及鍋爐部分設計方法以及抗震設計方法，解決了傳統鋼結構設計剛度分布不均勻等問題。

火力發電廠,鋼結構,主廠房設計

火力發電廠主廠房規模大，結構復雜，需要設置重型設備，在設計時對其結構強度具有較高要求。由于鋼結構穩定性加強，支撐結構穩定，可以滿足火力發電廠的主廠房設計需要，因此在設計中應用較為廣泛。在進行設計時，要充分考慮火電主廠房樓層布置、剛度、質量分布不均勻的特點，做好整體設計和連接點等細節設計，并滿足抗震等級設計要求，為火電主廠房的建設質量及使用安全提供保障。

1 工程案例簡述

某新建火電主廠房工程采用鋼結構設計方案，通過在鋼框架體系中設置柱間支撐，可以抵抗水平側力，為廠房結構提供較好的穩定性。在橫向設計中，整體采用鉸接體系，為滿足其水平作用力的傳遞需要，在缺少混凝土的局部樓層增加水平鋼支撐。主廠房縱向和汽機平臺的縱向結構設計都設置有垂直柱間支撐，構成標準支撐框架體系，起到分擔縱向水平荷載的作用，使廠房剛度能夠均勻分布，在空間體系上保持完整。在設計過程中，主廠房的樓面及煤倉屋面均采用鍍鋅壓型鋼板作為底膜，厚度為1.2 mm，在底膜上澆筑鋼筋混凝土板，厚度為100 mm。連接件使用圓柱頭焊釘，能夠承擔剛性樓板架構變形產生的作用力。該工程設計方案在結構強度和抗震性能等方面均符合相關標準要求，對其主廠房鋼結構的設計方案進行研究，可以為此類工程建設提供參考[1]。

2 火電主廠房鋼結構設計方案

2.1整體結構設計

火力發電廠的主廠房鋼結構體系可以分為橫向鋼構架、縱向鋼構架以及樓面結構幾部分。橫向鋼結構依次為汽機房、除氧間和煤倉，采用鋼構架加設垂直支撐的設計方式。橫向鋼結構布置采用鉸接體系，構件截面較小，整體剛度大，連接較為可靠。橫向鋼構架與樓面之間可以互相傳遞水平作用力。縱向結構設計中的屋面支撐系統與垂直支撐方式相互協調，組成其主體結構。由于柱結構的縱橫向受力彎矩存在較大差距，為確保柱截面穩定性，需要設置縱向水平梁，從而減小縱向計算長度。在樓面結構設計上，汽機房和煤倉均采用壓型鋼板底膜，樓面梁系采用橫梁布置方式，為梁頂設置剪力鍵，從而減小梁斷面。由于煤倉荷載過大，以縱梁為主梁，從而降低柱結構承受的附加彎矩。在樓面結構設計上主要采用水平支撐增加結構穩定性，提高水平力的傳遞效果，為結構可靠性提供保障[2]。連接點一般采用鉸接加支撐的設計方案，從而滿足其高荷載需求。在橫向鋼結構設計上，受工藝限制部分結構不能加設垂直支撐，因此要在樓面布置水平支撐，將剛度較差的鋼構架水平力傳遞到剛度較高的鋼構架。

2.2連接節點設計

連接節點設計是主廠房鋼結構設計中較為重要和復雜的部分，具體包括：1)節點板與支撐的連接，其連接破壞模式需要經過嚴格檢查核準，計算構件的受拉、受壓屈服能力。通過彈性計算，選擇節點連接使用的高強螺栓。在設計時，連接角鋼要比支撐桿件凈面積大，要對節點板的螺栓孔承壓大小進行計算，確保連接角鋼的螺栓孔端距斷裂符合構造要求。計算彈塑性前要對高強螺栓承載力極限以及連接角鋼的凈斷面斷裂進行重新計算核準；2)節點板與梁柱的連接，首先進行彈性計算，確定連接處作用力，從而根據摩擦類型選擇高強螺栓。計算彈塑性前先核算螺栓承載力極限，采用T形對接方式對節點板進行焊接；3)柱拼接，采用焊接方式，計算拼接處抗剪承載力和抗彎承載力。抗剪強度取高強螺栓連接設計值，不取抗剪承載力極限值。抗彎強度取連接柱彎曲強度最小值的1/2，拼接接頭位置設置在柱凈高的1/3處；4)梁端連接，分為三種情況：一是主梁與次梁的連接，一般采用標準角鋼連接，使用高強螺栓進行連接。連接角鋼的外伸肢為長肢，內肢為短肢。外肢與主梁腹板的距離要保持1.5 mm左右，采用焊接方式連接次梁腹板。第二種情況是不設置垂直支撐的主梁梁端連接，需要增加連接角鋼尺寸，使其偏心降低。若梁端的剪力不足抗剪承載力的1/2，則采取一般計算連接，若個別梁偏高，需要根據實際剪力計算。第三種情況是設置垂直支撐的主梁梁端連接，可以采用雙排螺栓，但角鋼內肢要小于120 mm，超出這一長度需要切肢。上下垂直支撐要在自由體平衡條件下計算梁端連接，主要根據承載力極限進行計算。如果跨中有V型撐梁或人字形撐梁，需要計算垂直支撐不平衡力，并核算承載力極限值。此外，要對板件的寬度和厚度進行嚴格控制，適當增加柱翼緣表面約束作用，改善鋼柱連接變形能力。如果板件寬度或厚度過高，會增加梁翼緣受力，使其容易出現損壞。因此，要保證其寬厚比符合相關標準要求，避免對梁柱連接質量產生影響[3]。

2.3汽機房及鍋爐部分設計

汽機房和鍋爐部分都設置有水平方向支撐，在除氧煤倉的梁柱連接中采用剛接方式，其余部分則采取鉸接方式，并對每一列設置柱間支撐。在設計過程中，對特殊結構的煤倉，煤倉框架柱采用剛接方式是為滿足其高承載力要求，其余部分采用鉸接方式即可。在火電主廠房設計中，一般汽機房運轉采用大平臺結構，其水平方向上，主廠房主體結構、平臺的梁和柱、柱間的支撐結構共同組成承重體系。其中，平臺的梁和柱采用鉸接方式，垂直向梁和柱采用鉸接方式。進行樓層設計時，一般采用鋼梁與現澆混凝土板相結合的設計方式。在鍋爐部分設計過程中，由于鍋爐鋼結構由鍋爐廠提供，一般采用島式結構對鍋爐進行布置。在主廠房結構與鍋爐之間設計有轉層通道，需要根據相關標準，在鍋爐前設置足夠數量的通道。鋼結構構架后的鍋爐爐架一般采取分開設置方式，保證兩者之間相互獨立，承重自成體系。鍋爐部分的電梯井一般設置在鍋爐的前側面，其水平荷載可以通過一定路徑分散到鍋爐爐架上。在設計過程中可以采用計算機軟件建立三維模型，對主廠房鋼結構進行整體分析和設計優化，通過荷載輸入，根據其分布情況，對荷載進行分組，保證每個構件的設計質量，在此基礎上，對主廠房整體結構進行改進和完善，調整截面面積，控制其大小，使其保持在合理范圍內。經過設計優化后，可以保證主廠房鋼結構最大限度的滿足荷載需要。

2.4抗震設計

主廠房鋼結構的抗震設計是其設計中的重要環節，只有保證其鋼構架滿足抗震等級要求，才能為建筑使用安全提供保障。通過提高抗震措施設防烈度對其采用對應的抗震防護措施。一般主廠房采用帶支撐的框架結構，樓層結構采用鋼梁現澆混凝土板結構，可以確保結構合理性，滿足抗震設計要求。該火電主廠房的抗震設計按烈度7度抗震設防，在進行抗震布置時，可以對汽機房的外側樁柱與除氧煤倉的抗震體系進行整體設計。在設計過程中，為使其整體結構能夠承受抗震力，可以采取滑動支座抗震設計方式。在進行抗震計算時，忽略結構間的相互作用。

3 結語

火電主廠房鋼結構設計是一個復雜的過程，需要同時做好整體性設計和細節設計，并滿足抗震設計要求。通過對其縱橫架構及樓面結構進行合理設計，采用適當的支撐方式，可以保證主廠房整體結構的穩定性。通過對節點受力情況的計算分析，采取有效的連接方式，可以確保節點連接質量。此外通過采用計算機軟件對主廠房鋼結構設計進行優化，并做好抗震性設計，可以最大限度的滿足火電主廠房的荷載需要，為建筑使用安全提供保障。

[1] 劉春剛.鋼結構支撐框架結構體系在火力發電廠主廠房設計中的應用[J].武漢大學學報(工學版),2010,43(S1):121-124.

[2] 劉 斌,李 龍.某大型火力發電廠主廠房鋼結構設計[J].山西建筑,2016,42(36):46-47.

[3] 薛 輝.鋼結構在火力發電廠主廠房設計中的應用[J].建筑知識,2016,36(2):220.

Analysisandapplicationofstructuraldesignschemeofsteelstructuremainbuildinginthermalpowerplant

LangFahai

(SouthwestElectricPowerDesignInstituteCo.,Ltd,Chengdu610021,China)

The design of thermal power plant were analyzed from the aspects of safety and reliability of the traditional design scheme of steel structure was improved. The overall structure design method, design method of the connection point, the steam engine room and boiler design method and seismic design method, solves the problem of the traditional design of steel structure stiffness distribution is not uniform.

thermal power plant, steel structure, main building design

TU318

A

1009-6825(2017)27-0047-02

2017-07-14

郎發海(1980- )，男，工程師