火力發電廠主廠房設計中鋼結構支撐框架結構體系應用

余　潔

(中國電力顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安　710075)

0　引言

在我國火力發電廠主廠房的設計中，主要結構形式是混凝土端部帶剪力墻框排架結構、混凝土框排架結構和鋼結構。而鋼結構能夠滿足火力發電廠的抗震要求，應用比較多。

1　工程概況

本文以鄒縣火力發電廠的主廠房結構為例介紹鋼結構支撐框架結構體系的具體應用。在該火力發電廠主廠房結構的計算模型為1 000 MW機組框排架，鋼結構的主廠房、分散剪力墻的混合結構式主廠房都是依據8度Ⅱ類場地來設計，其構造為9度。端部剪力墻的主廠房、混凝土框排架解耦股的主廠房依據7度Ⅱ類場地來設計，構造為8度。結構長度是122 m，其組成是11個開間，寬度為58 m，主要分為三跨，其中煤倉間寬度是14 m，除氧間寬度是10 m，汽輪機房的寬度是34 m，結構的總高度是59.9 m。

2　鋼結構支撐框架結構體系

采用鋼結構支撐框架結構體系的主廠房，其柱網平面的布置如圖1所示。結構縱向的支撐布置在③和④軸線之間、⑩和軸線之間，其橫向支撐布置于AB跨，從軸線①開始布置，隔榀布置。支撐、柱、梁等使用Q235鋼結構構件，屋面板、樓板都使用的140 mm厚的鋼筋混凝土板。

3　支撐框架結構體系的介紹

支撐框架的結構體系組成是豎向桁架，用鉸接來連接構件，構件工作線都交匯在工作點，也就是中心支撐框架。支撐框架體系實質上已經應用在不少工程中，但屬于一般化的中心支撐框架，簡稱OCBF，抗震性能較低[1]。本文中所用支撐框架屬于特殊化的中心支撐框架，簡稱SCBF。支撐框架體系的特點主要是：1)屈曲后能力比較強。2)延性較高。3)耗能能力比較好。4)經濟效益較好。5)制造比較簡單，安裝便捷。

在設計支撐框架結構體系時，要想支撐框架結構體系的抗震性能提高，需要從概念設計方面入手，并采取一些措施：1)合理化布置結構整體，保證結構剛度達到均勻狀態，明確傳力路徑，保證垂直支撐有足夠的數量，同時要余下一些。2)抗震設計的新概念，也就是對連接和構件的破壞模式進行嚴格控制，對破壞模式進行分等級次序的安排。3)細致而嚴謹的細部設計，一方面要設計彈性，另一方面要對彈塑性進行計算。4)規定構造措施。

4　火力發電廠主廠房設計中鋼結構支撐框架結構體系的應用

4.1　布置結構

鋼結構支撐框架結構體系中，所布置的結構有：

1)框架柱，主要是為了承受軸力，依據截面構造和面積的要求確定。

2)垂直支撐，垂直支撐框架主要是提供完全桁架功能，保證在彈性階段各個構件能夠承受住軸向力。然而，在中震到大震時期，支撐構件和其連接需要承受屈曲后階段出現的較大非彈性變形。所以，在框架結構體系中，垂直支撐有非常重要的作用。垂直支撐的形式主要是人字形撐、V形撐、交叉撐和單斜撐，同時拉鏈式支撐、人字形組合的支撐、兩層間的V形撐也都是較好的型式[2]。全部支撐的設計都要具備受壓性和受拉性。

在垂直支撐的布置位置方面，由于火力發電廠的主廠房需要達到工藝布置要求，造成一些位置只能設置上單斜撐。在橫向上，除了汽機房中間的軸由汽機基座所占據之外，汽機房其余柱間都要安裝一兩道單斜撐，同時①軸和⑩軸要嘗試扭轉作用，相比其他軸要多設，也就是保證這兩軸都至少設置兩道支撐。在煤倉間底層的垂直支撐，受限于檢修通道、磨煤機過軌吊的運行，只能將支撐設置到半跨內，各個軸線都被同一傾斜方向單斜杠所支撐。與此同時，依據抗震規范中的有關規定，假如中心支撐僅用受拉單斜杠的體系時，要同時設置傾向方向不同的兩組斜桿，這樣才能夠確保合理分配拉壓支撐內力，避免非彈性變形積聚到一個方向上，并且汽機房單斜支撐的方向要相反于煤倉間支撐方向。

在縱向上，通過分析模型彈塑性和彈性可以發現：在A,B,C三列都設置三道支撐之后，結構第一振型是：縱向平動和扭轉的耦合陣型，第二階振型是：橫向平動的振型，前兩個階段的自振周期比較相似，也就是兩個主軸方向中結構動力特點比較接近，能夠有效改善出現地震時的扭轉效應。通過分析彈塑性發現，盡管BC列都設置有三道支撐，柱底依然會出現較大拉力。為此對這種情況進行改善，嘗試在BC列底部兩層位置增加支撐，如此處理后，就能夠得到較為理想的結果。

3)水平支撐，在火力發電廠主廠房中有較大孔洞存在，甚至在空樓層存在孔洞，同時有些軸線無法設置垂直支撐，為此要利用水平支撐解決。依據抗震規范中的有關要求，并結合火力發電廠的設計習慣，通常在煤倉面屋面、給煤機樓面、汽機房屋面、汽機房的運轉層等樓層采用水平支撐。

4)側向支撐通過和人字形或V形垂直來支撐相交梁。依據抗震規范中的規定，和人字形支撐或V形支撐處于相交狀態的梁，在梁兩個翼緣位置要設置側向的支撐，側向支撐數量至少是一道，依據計算將其最大的間距計算出來[3]。針對混凝土板樓面，梁側向支承可以采取將型鋼連接到梁側的加勁肋上面。針對空樓層(沒有混凝土樓面)，依據其實際情況采取相應構造措施。另外，梁上下的兩個翼緣都需要進行支撐。

4.2　選擇構件和構造要求

在鋼結構支撐框架結構體系的應用中，所用構件主要是：1)支撐，支撐構件一般使用的是H型鋼，依照腹板鉛錘的方位來防止，也就是平面外屬于弱軸。在計算支撐材質彈性時，一般采取Q235能夠達到強度要求。2)梁，相交于人字形支撐或V形支撐的梁，在設計其彈塑性方面要達到的要求是：在將支撐去掉的條件下計算梁，簡支梁當做計算簡圖，梁荷載包括樓面恒載、活載、大震時的不平衡力。所用梁材質可以是Q345，也可以是Q235，其質量等級是B級。在連接梁和節點板時采用焊接方式，梁翼緣的厚度要大于40 mm。3)柱，所用柱鋼材一般是Q345，其性質比要高于Q235，質量等級通常選用B級。4)柱腳，都是采用鉸接，連接柱腳地底板和柱的是全熔透T形對接焊縫。

5　火力發電廠主廠房鋼結構支撐框架結構體系使用的維護

火力發電廠主廠房鋼結構支撐框架結構在使用期間的維護費用，主要指的是鋼結構防腐的有關費用。鋼結構腐蝕一般指的是鋼結構在使用期間，會和其所處環境中的介質發生一些物理反應、電化學反應或者化學反應，導致材質發生變質，鋼結構被破壞。大部分金屬結構被破壞都和環境中存在的腐蝕因素相關。所以，有必要定期檢測和維護鋼結構的后期使用。通常情況下，維護方案按照以下進程進行：主體結構完成后15年進行第一次維護，以后每隔5年維護一次。

6　結語

在火力發電廠主廠房設計中應用了鋼結構支撐框架結構體系，其應用具有一定的優勢，能夠滿足火力發電廠主廠房在抗震性能方面的要求。工程建設人員要加強對鋼結構支撐框架結構體系的研究，從而使其得到更好的應用。

參考文獻：

[1]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.

[2]吳迎強,章衛松,王勇奉.高烈度區火電廠鋼結構主廠房選型研究[J].鋼結構,2017,32(1):56-59.

[3]江松.火力發電廠主廠房鋼結構設計研究[J].建筑工程技術與設計,2014(16)：92-93.