火電廠高位機廠房與鍋爐鋼架聯合結構變形控制

陳路遙，仇 俊，陳 飛，干夢軍

(中國電力工程顧問集團華東電力設計院有限公司，上海 200063)

0 引言

火力發電廠中采用汽輪發電機高位布置可大幅度縮短高溫管道長度，降低高溫管道材料用量，提高機組運行效率，降低煤耗。但汽輪發電機高位布置結構設計難度較大：高位汽輪機及基座高空重載、結構質量分布不均勻；高位汽輪機廠房及鍋爐鋼架間結構形式、荷載分布不一致；兩結構變形協調較難，且高位汽輪發電機及高溫管道等精密設備對位移要求嚴格。

本文依托某火電工程，研究高位機廠房與鍋爐鋼架聯合結構位移控制方法，可為后續工程及設計提供借鑒參考。

1 依托工程概況

某火力發電廠建設1×1 350 MW 機組，采用雙軸高低位布置。其中高位機廠房與鍋爐鋼架聯合布置，高位機廠房采用框架剪力墻結構體系，高位機運轉層位于82.8 m 高度，總高度約107 m。鍋爐鋼架總高約135 m，采用鋼框架偏心支持結構體系。

本工程汽機采用高位布置，縮短了六大管道的長度，但也對高位機廠房與鍋爐鋼架之間的相對變形控制提出了更加嚴苛的要求。如果高位機廠房與鍋爐鋼架脫開布置，兩者在地震或風荷載作用下單獨變形，會出現較大的相對位移，超過兩者之間管道允許的相對位移限值。本工程將高位機廠房與鍋爐鋼架聯合布置，利用屈曲約束支撐體系將高位機廠房與鍋爐鋼架連接起來以協調變形。高位機廠房與鍋爐鋼架間在26 m、58 m、70 m 分別設置水平連接桁架，水平桁架采用屈曲約束支撐，聯合結構計算模型如圖1 所示。

圖1 高位機廠房與鍋爐鋼架聯合結構

2 結構主要設計參數

本工程高位機廠房及鍋爐鋼架聯合結構抗震設計根據GB 50260—2013《電力設施抗震設計規范》[1]和DL 5022—2012《火力發電廠土建結構設計技術規程》[2]，并參考了GB 50011—2010，2016 版《建筑抗震設計規范》[3]。

本工程設計基準期50 a，結構抗震設防類別為乙類，抗震設防烈度為6 度(0.05g)。基本風壓0.40 kN/m2，場地類別B 類。框架梁、柱、剪力墻混凝土強度等級基礎頂面至40 m 層C50，40 m 層至屋面C40。

設備及管道荷載根據工藝專業提供的主要設備及管道荷載施加，樓面活荷載按照《火力發電廠土建結構設計技術規程》施加。

本工程采用兩種荷載模型，分別為地震工況荷載模型和非地震工況荷載模型，兩種模型取包絡計算。地震工況荷載模型包括工藝管道荷載、設備荷載、吊車自重及樓面活荷載。非地震荷載工況荷載包括工藝管道荷載、設備荷載及檢修荷載、樓面活荷載(不與檢修荷載同時施加)、吊車荷載。

3 結構體系及結構布置

本工程高位機廠房采用鋼筋混凝土框架剪力墻結構，鍋爐鋼架采用偏心支撐鋼框架結構。

3.1 高位機廠房結構布置

高位機廠房主要樓層為：8.6 m(汽動給水泵支承層)、17 m、26 m、31 m、33.32 m(煤斗支承層)、40 m、46 m(皮帶層)、58 m(除氧器層)、70 m、79.265 m(汽機基座支承層)、82.8 m(運轉層)及107 m(屋面)。汽動給水泵置于8.6 m 層、汽機基座支承于79.265 m 層，均采用彈簧隔振基礎。

3.2 聯合模型連接桁架

為減小兩結構間管道因相對變形產生的附加應力，保護設備及管道，制造廠要求高位機廠房及鍋爐鋼架在多遇地震及風荷載作用下相對位移小于15 mm。高位機廠房為框架剪力墻結構，鍋爐鋼架為鋼框架支撐結構，兩結構體系相差較大，質量及剛度分布不均勻。為減小相對位移，分別在26 m、58 m、70 m 層設置屈曲約束支撐水平支撐桁架。

普通鋼支撐在大震下會產生屈曲破壞，與支撐連接的構件受到極大的不平衡力作用，對高位機廠房及鍋爐鋼架主梁柱造成嚴重危害。屈曲約束支撐在大震下進入屈服耗能階段，吸收一部分地震能量，保護主體結構。屈曲約束支撐截面較普通支撐截面小，整體結構剛度較小，周期較大，結構整體地震力小。故本工程高位機廠房與鍋爐鋼架間連接桁架采用屈曲約束支撐。

4 高位機廠房單獨模型

高位機廠房與鍋爐鋼架聯合結構采用單獨模型與聯合模型包絡設計。高位機廠房采用YJK、MIDAS、SAP2000 軟件建模計算，廠房計算模型如圖2 所示，結構自振周期如表1 所示。

圖2 高位機廠房計算模型

表1 高位機廠房自振周期

地震和風荷載作用下樓層最大層間位移角如表2 所示，各樓層層間位移角均滿足《建筑抗震設計規范》的要求。

表2 地震及風荷載作用下最大層間位移角

5 聯合模型模態分析

分 別 采 用YJK(V1.9)、MIDAS(V8.65)、SAP2000(V19)軟件建立高位機廠房及鍋爐鋼架聯合模型。進行模態分析結果如表3 所示，前三階振型如圖3 ～圖5 所示。由圖表可見，三軟件計算得聯合結構周期接近，模型的振型形狀接近。

圖3 一階振型(X 向平動)

圖4 二階振型(Y 向平動)

圖5 三階振型(扭轉振型)

表3 聯合模型模態周期

6 聯合模型多遇地震反應譜分析

6.1 多遇地震作用下層位移與層間位移角

聯合模型多遇地震下層位移與層間位移角如表4 所示，圖6 ～圖9 所示。由圖表可見，高位機廠房在地震作用下最大層間位移角遠小于框架剪力墻結構層間位移角限值1/800，鍋爐鋼架在多遇地震下層間位移角遠小于多、高層鋼結構層間位移角限值1/250。

圖6 多遇地震作用下高位機房層間位移角

圖7 多遇地震作用下高位機房樓層位移

圖8 多遇地震作用下鍋爐鋼架層間位移角

圖9 多遇地震作用下鍋爐鋼架樓層位移

表4 聯合模型多遇地震層位移及最大層間位移角

6.2 屈曲支撐內力

屈曲約束支撐在地震作用下內力如表5 所示。屈曲約束支撐在多遇地震下內力均小于屈服承載力。

表5 多遇地震下屈曲支撐最大內力 kN

6.3 高位運轉層兩結構相對位移

采用彈性時程分析方法，計算高位機廠房與鍋爐鋼架82 m 處相對位移。根據鍋爐蒸汽聯箱、主蒸汽管道的路由及支吊位置確定計算位移點。在高位機廠房選取一點，鍋爐鋼架選取左右側主鋼架柱兩點，如圖10 所示，計算得相對位移如表6 所示。

圖10 82.m層相對位移節點選取

表6 多遇地震時程分析相對位移 mm

由表6 可知，多遇地震作用下，高位機廠房與鍋爐鋼架相對位移小于制造廠規定的相對位移限值(15 mm)。

7 聯合模型風荷載響應分析

7.1 風荷載作用下層位移與層間位移角

風荷載層位移與層間位移角如表7、圖11、圖12 所示。可見，高位機廠房在風荷載作用下最大層間位移角遠小于框架剪力墻結構層間位移角限值1/800。

圖11 風荷載作用下高位機房層間位移角

7.2 屈曲約束支撐內力

屈曲約束支撐在風荷載作用下內力如表8 所示。由表可見，屈曲約束支撐在風荷載作用下內力均小于屈服承載力。支撐受力最大值為1 194 kN，在70 m 層最外側支撐受力最大。

表8 屈曲約束支撐受力 kN

7.3 高位運轉層兩結構相對位移

選取高位機廠房運轉層節點；鍋爐鋼架82 m 層矩形柱左右側節點輸出節點位移，計算結構相對位移如表9 所示。

由表9 可知，X向風荷載作用下，82 m高位機房與鍋爐鋼架間最大相對位移為12.20 mm，Y向風荷載作用下最大相對位移為6.85 mm，均滿足工藝要求的15 mm 位移限值。

表9 風荷載作用下相對位移

8 結論

本文對某大容量火力發電廠高位機廠房與鍋爐鋼架聯合結構進行研究。高位機廠房與鍋爐鋼架聯合布置結構形式新穎，結構設計難度大。本文采用多個軟件建立結構有限元模型，分析了聯合結構的設計關鍵技術，得出以下結論：

1)本工程高位機廠房與鍋爐鋼架間采用三層屈曲約束支撐水平桁架連接，支撐桁架標高根據高位機廠房及鍋爐鋼架剛性層位置及管道布置確定為26 m、58 m、70 m；

2)高位機廠房與鍋爐鋼架聯合結構采用單獨模型與聯合模型包絡設計；

3)高位機廠房單獨模型規定水平力作用下高位機廠房框架部分承受傾覆力矩滿足框架剪力墻結構要求，地震和風荷載作用下最大層間位移角1/2 041，遠小于1/800 現值；

4)聯合模型多遇地震反應譜分析，高位機廠房最大層間位移角1/3 401，鍋爐鋼架1/3 249。屈曲約束支撐在多遇地震下未屈服，高位機運轉層兩結構最大相對位移6.54 mm，滿足制造廠要求；

5)聯合模型風荷載作用下高位機廠房最大層間位移角1/2 516，遠小于規范限值1/800，屈曲約束支撐受力最大值1 194 kN，為70 m 層最外側支撐。風荷載作用下運轉層最大相對位移12.20 mm，滿足工藝要求的15 mm 限值要求。