火力發(fā)電廠主廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化措施探討

曲鵬

（上海電氣電站工程公司，上海 201199）

1 引言

主廠房作為火力發(fā)電廠最主要的建筑物，由于其功能分區(qū)多，結(jié)構(gòu)型式復(fù)雜，體積大，技術(shù)要求高，結(jié)構(gòu)設(shè)計較困難[1]。主廠房的合理布局與設(shè)計，對于保證工程質(zhì)量，節(jié)約鋼材，加快建設(shè)進度，確保火力發(fā)電廠的安全運行具有舉足輕重的作用。本文主要結(jié)合新疆某工程設(shè)計實例，對鋼結(jié)構(gòu)主廠房的結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化、提資荷載檢查、碰撞檢查及結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面校核等設(shè)計優(yōu)化措施進行了探討。

2 工程概況

新疆某3×350 MW 火力發(fā)電廠的鋼結(jié)構(gòu)主廠房分為兩個部分，一個是汽機房，另一個是煤倉間。主廠房總長度218.7 m，總寬度44.5 m，其中汽機房寬度32 m，煤倉間寬度12.5 m。主廠房的外墻采用雙層保溫壓型鋼板封閉，在汽機房與煤倉間交界處及其他一些地方做砌塊填充墻。汽機房設(shè)有6.3 m 中間層，12.6 m 運轉(zhuǎn)層及29.3 m 雙坡屋面層。汽機平臺設(shè)置在汽機房的中間，汽機房內(nèi)布置有高壓加熱器、低壓加熱器及除氧器等機組設(shè)備。汽機房設(shè)置1 座吊車，吊車軌道頂部標高為24.5 m。汽機房屋面采用雙層壓型鋼板輕質(zhì)屋面。煤倉間設(shè)有6.3 m 中間層，12.6 m 運轉(zhuǎn)層，29.3 m 煤斗支撐層，37.5 m 皮帶層及44.45 m屋面層。

本項目基本風(fēng)壓為0.56 kPa，抗震設(shè)防烈度7 度，基本地震加速度值0.179g，根據(jù)DL 5022—2012《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》提高一度，按抗震設(shè)防烈度為8 度設(shè)置抗震措施[2]。

3 主廠房鋼結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

與普通建筑相比，火力發(fā)電廠主廠房的平面形狀不規(guī)則，樓面通常存在著較大的開口，造成了結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性，導(dǎo)致其在地震時易發(fā)生扭轉(zhuǎn)。由于煤倉間豎向收進，以及煤斗支承層與相鄰層之間的質(zhì)量變化，主廠房具備豎向不規(guī)則性。主廠房各樓層的可變荷載和設(shè)備荷載很大，并且分布不均勻，如煤斗、高低壓加熱器、除氧器等較重的設(shè)備，其布置都是比較集中的。主廠房的總體尺寸、標高、開口位置等都是由工藝專業(yè)決定，其結(jié)構(gòu)布局受到很大的限制。受生產(chǎn)設(shè)備、管線布置等因素的制約，主廠房內(nèi)抗側(cè)力構(gòu)件的設(shè)置受到了較大的約束，導(dǎo)致其橫向及縱向剛度及質(zhì)量分布不均勻，不利于主廠房結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計[3]。根據(jù)主廠房結(jié)構(gòu)的這些特點，在對其進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一定要與工藝專業(yè)配合，在滿足工藝專業(yè)布置要求的前提下，將結(jié)構(gòu)布局與工藝布局的矛盾處理妥當，盡可能地選用抗震性能好，同時也能保證經(jīng)濟性的結(jié)構(gòu)體系。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要與工程特點相結(jié)合，進行結(jié)構(gòu)體系布局優(yōu)化。本文以新疆某3×350 MW 火力發(fā)電廠主廠房為例，對主廠房鋼結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化要點進行分析。

3.1 主廠房橫向結(jié)構(gòu)體系布置

本項目主廠房橫向結(jié)構(gòu)布置主要由汽機房A 列柱經(jīng)屋頂大跨度實腹式鋼梁和兩層汽機鋼平臺連接至煤倉間B 列柱，煤倉間B 列柱與C 列柱通過屋頂實腹式鋼梁及柱間支撐連接，通過如上布置將汽機房與煤倉間構(gòu)成橫向框架-支撐結(jié)構(gòu)體系。本項目主廠房根據(jù)工藝技術(shù)要求進行布局，主廠房未設(shè)置除氧間，只在橫向上設(shè)置了單一框架的煤倉間，因此其抗水平地震和風(fēng)荷載的能力較差。為此，在設(shè)計中對汽機房屋頂上的主梁與框架柱、煤倉間各個樓層、屋頂?shù)闹髁号c框架柱，均采取了剛性連接的連接方式。與此同時，在煤倉間承擔較大設(shè)備荷載的16b、18、20、22、25、27、29、32a、32b、35、37、39 軸線皮帶層下面，貫穿安裝大十字交叉支撐或人字形支撐，并在汽機房兩層鋼平臺內(nèi)適當?shù)牡胤桨惭b若干組垂直支撐。在此基礎(chǔ)上，使橫向框架具有較高的側(cè)向剛度，形成了一種基于“支撐-主梁-立柱”的二重抗側(cè)設(shè)計方案，使主廠房成為“二重”抗側(cè)結(jié)構(gòu)，滿足“多重”設(shè)防的要求。

3.2 主廠房縱向結(jié)構(gòu)體系布置

主廠房縱向框架結(jié)構(gòu)中，采用框架主梁與框架柱鉸接連接，并在框架柱間加支撐的方案。在A 列縱向框架18-19、28-29、34-35 軸線柱間，從0 m 到屋面，設(shè)置了3 道豎向布置的垂直支撐； 在B、C 列縱向框架19-20、27-28、35-36 軸線柱間，從0 m 到屋面，設(shè)置了3 道豎向布置的垂直支撐。垂直支撐的設(shè)置需避開底層大型磨煤機，并為其留出安裝檢修通道；垂直支撐應(yīng)靠近煤斗等大荷載設(shè)備，以便更有效地傳遞地震作用產(chǎn)生的水平荷載。通過設(shè)置柱間垂直支撐增加了主廠房縱向鋼框架側(cè)向剛度，可以有效傳遞地震作用產(chǎn)生的水平荷載。

3.3 主廠房樓面水平布置

汽機房和煤倉間的樓面及煤倉間的屋面均采用壓型鋼板作為固定底模，在其上面采用現(xiàn)澆的鋼筋混凝土樓屋面板。在進行整體空間分析時，考慮到了在協(xié)調(diào)各軸構(gòu)架變形時，由剛性樓板所起的作用。鋼筋混凝土樓屋面板擁有良好的平面內(nèi)剛度，是重要的傳遞水平荷載的結(jié)構(gòu)構(gòu)件；在主廠房結(jié)構(gòu)體系中，鋼筋混凝土樓屋面板可以協(xié)調(diào)各個框架的剛度和變形，使主廠房框架成為完整的空間結(jié)構(gòu)體系[4]。因工藝布局的需要，樓面往往存在較大的開口，從而使樓板的剛度有所減弱，因此應(yīng)在開口周邊適當設(shè)置鋼水平支撐，以加強對梁柱的側(cè)向約束，并實現(xiàn)水平地震動力的有效傳遞。

通過以上各項措施，使主廠房框架形成合理的空間整體結(jié)構(gòu)，為主廠房鋼結(jié)構(gòu)用量優(yōu)化打下堅實的基礎(chǔ)。由于主廠房框架的梁柱布置以工藝要求為主，因此，主廠房框架的優(yōu)化布置主要通過柱間支撐的優(yōu)化布置來實現(xiàn)。合理的支撐布局，可以有效地傳遞水平向地震動，調(diào)節(jié)主體建筑的剛度，使得主體建筑的受力更加合理、動態(tài)特性更加優(yōu)良。本項目主廠房在煤倉間的皮帶層下方的橫向框架柱之間，使用了大十字支承，相對于傳統(tǒng)的V 形支承和人字形支承，其優(yōu)點是顯而易見的。在地震荷載作用下，作為主抗側(cè)構(gòu)件的支撐最易發(fā)生屈曲，而大十字交叉支撐能夠確保在受壓肢屈服后受拉肢仍然能夠發(fā)揮其功能。相對于V 形支承和人字形支承，十字形支承在與梁交會部位不會因支承構(gòu)件受拉和受壓而對梁產(chǎn)生垂直方向的不均衡作用力，從而對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定起到了更大的作用。在煤倉間中，縱、橫兩個方向的柱間豎向支撐互相配合，構(gòu)成一個連續(xù)、密閉的支護體系。通過這種布局方式，整個主體建筑在強震下表現(xiàn)出較好的動態(tài)性能，即在兩個主軸方向上整個主體建筑的動態(tài)性能相近，主體建筑的抗震性能顯著提高。

4 提資荷載檢查和碰撞檢查

主廠房的荷載類型、工況類型與普通建筑物不同，其荷載分項系數(shù)、組合值系數(shù)等都應(yīng)該按照DL/T 5095—2013《火電廠和核電廠常規(guī)島主廠房荷載設(shè)計技術(shù)規(guī)程》 中的規(guī)定來確定[5]。在確定框架柱和主梁的承載力時，需將荷載折減后納入計算；在驗算次梁承載力過程中，荷載不會發(fā)生折減。對主梁和框架柱結(jié)構(gòu)的變形進行校核時，應(yīng)采用經(jīng)過折減后的荷載標準值；在校核次梁的變形時，按未經(jīng)過折減的標準值計算荷載。在設(shè)計過程中，通過荷載的最不利布置分組得到荷載基本工況，再根據(jù)規(guī)范中規(guī)定的組合公式計算得到各種組合工況，再將各組合工況輸入計算機程序中，從而完成荷載的組合計算。根據(jù)各工藝專業(yè)的提資及DL/T 5095—2013《火電廠和核電廠常規(guī)島主廠房荷載設(shè)計技術(shù)規(guī)程》，可以確定主廠房各樓層的設(shè)備荷載及可變荷載取值。在設(shè)計前需重點檢查工藝專業(yè)的提資荷載是否合理，減小或取消不必要的人為裕量，這項工作需工藝專業(yè)配合進行。

為改善結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能，調(diào)整廠房主體結(jié)構(gòu)的剛度分布，使整體結(jié)構(gòu)的受力更加合理，結(jié)構(gòu)設(shè)計者往往要求較多且對稱地布置支撐。然而，在主廠房鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，柱間豎向支撐的設(shè)置，首先要符合工藝裝備及管線布置的要求，因此在設(shè)計時要進行碰撞檢查。在抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū)，主廠房鋼結(jié)構(gòu)支撐設(shè)置較多，需重點檢查主廠房鋼結(jié)構(gòu)梁、柱、支撐是否與工藝專業(yè)的設(shè)備、管道相碰撞，是否影響交通及檢修空間等，這項工作需工藝專業(yè)配合進行。在此基礎(chǔ)上，通過與各專業(yè)的協(xié)調(diào)，實現(xiàn)了工藝方案的可行性與結(jié)構(gòu)方案的合理性的統(tǒng)一。

5 主廠房鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面校核

本項目采用STAAD Pro 三維有限元分析程序?qū)χ鲝S房鋼結(jié)構(gòu)進行分析計算。STAAD Pro 是一款三維空間結(jié)構(gòu)分析程序，它可以根據(jù)主廠房的實際尺寸進行三維建模，在模型上施加真實的荷載，考慮各種荷載組合工況，構(gòu)建出接近實際情況的分析模型。STAAD Pro 可以對各種部件之間的協(xié)同作用進行充分考慮，可以精確地對各構(gòu)件連接方式及約束條件進行模擬，其結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果合理，并可以對梁、柱、支撐等構(gòu)件進行規(guī)范校驗。STAAD Pro 仿真軟件能夠較好地模擬構(gòu)件之間的連接形態(tài)及受力情況，本項目主廠房框架結(jié)構(gòu)體系采用橫向剛接加支撐、縱向鉸接加支撐的方案，框架柱與基礎(chǔ)的連接形式需要采取一個方向釋放彎矩，另一個方向維持固結(jié)的方式。在STAAD Pro 中通過編輯支座限制信息可以模擬以上連接方式。

為了提高設(shè)計質(zhì)量，減小主廠房鋼結(jié)構(gòu)用鋼量，需要對主廠房框架梁、柱、支撐截面的選取進行校核。國內(nèi)設(shè)計院在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，往往對鋼框架梁、柱、支撐截面利用率比較保守，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)主廠房用鋼量較大。在STAAD Pro 程序中，其配有的優(yōu)化算法，可實現(xiàn)精確快速地迭代計算，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的選取進行優(yōu)化設(shè)計。在實際設(shè)計中，通常要求在合同允許條件下，梁、柱、支撐在最不利組合工況下的截面計算應(yīng)力與材料的設(shè)計強度比值達到80%以上的構(gòu)件不小于60%。另外，還需校核鋼結(jié)構(gòu)材料材質(zhì)選擇是否合理，在以強度控制為主的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，優(yōu)先選擇高強度結(jié)構(gòu)鋼。通過以上技術(shù)措施，利用有限元分析軟件對主廠房鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件進行截面優(yōu)化設(shè)計，可以在滿足主廠房荷載要求的同時降低鋼材用量。

6 結(jié)語

火力發(fā)電廠主廠房的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項十分復(fù)雜的工作，既要進行總體設(shè)計，又要進行細部設(shè)計。通過對主廠房橫向框架、縱向框架及樓屋面結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計，選擇合適的連接方式，對支撐進行合理布置，可以確保主廠房的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。通過提資荷載檢查和碰撞檢查可以減少設(shè)計輸入荷載，避免設(shè)計失誤。通過采用有限元計算軟件對主廠房鋼結(jié)構(gòu)梁、柱、 支撐構(gòu)件截面進行優(yōu)化設(shè)計，可以滿足主廠房的荷載需要，同時降低鋼結(jié)構(gòu)用量。通過以上各項優(yōu)化措施，可以提高設(shè)計質(zhì)量，降低鋼結(jié)構(gòu)用量，達到優(yōu)化降本的目的。