火力發(fā)電廠主廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)較困難[1]。主廠房的合理布局與設(shè)計(jì)，對于保證工程質(zhì)量，節(jié)約鋼材，加快建設(shè)進(jìn)度，確?；鹆Πl(fā)電廠的安全運(yùn)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(jì)實(shí)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(jì)優(yōu)化措施進(jìn)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(gè)部分，一個(gè)是汽機(jī)房，另一個(gè)是煤倉間。主廠房總長度218.7 m，總寬度44.5 m，其中汽機(jī)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(jī)房與煤倉間交界處及其他一些地方做砌塊填充墻。汽機(jī)房設(shè)有6.3 m 中間層，12.6 m 運(yùn)轉(zhuǎn)層及29.3 m 雙坡屋面層。汽機(jī)平臺設(shè)置在汽機(jī)房的中間，汽機(jī)房內(nèi)布置有高壓加熱器、低壓加熱器及除氧器等機(jī)組設(shè)備。汽機(jī)房設(shè)置1 座吊車，吊車軌道頂部標(biāo)高為24.5 m。汽機(jī)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(yùn)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(xiàng)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(jì)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(shí)易發(fā)生扭轉(zhuǎn)。由于煤倉間豎向收進(jìn)，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(biāo)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(jì)[3]。根據(jù)主廠房結(jié)構(gòu)的這些特點(diǎn)，在對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，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(dāng)，盡可能地選用抗震性能好，同時(shí)也能保證經(jīng)濟(jì)性的結(jié)構(gòu)體系。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要與工程特點(diǎn)相結(jié)合，進(jìn)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(diǎn)進(jìn)行分析。

3.1 主廠房橫向結(jié)構(gòu)體系布置

本項(xiàng)目主廠房橫向結(jié)構(gòu)布置主要由汽機(jī)房A 列柱經(jīng)屋頂大跨度實(shí)腹式鋼梁和兩層汽機(jī)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(shí)腹式鋼梁及柱間支撐連接，通過如上布置將汽機(jī)房與煤倉間構(gòu)成橫向框架-支撐結(jié)構(gòu)體系。本項(xiàng)目主廠房根據(jù)工藝技術(shù)要求進(jìn)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(jì)中對汽機(jī)房屋頂上的主梁與框架柱、煤倉間各個(gè)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(shí)，在煤倉間承擔(dān)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(jī)房兩層鋼平臺內(nèi)適當(dāng)?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(jì)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(jī)，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(jī)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(jìn)行整體空間分析時(shí)，考慮到了在協(xié)調(diào)各軸構(gòu)架變形時(shí)，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(gè)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(dāng)設(shè)置鋼水平支撐，以加強(qiáng)對梁柱的側(cè)向約束，并實(shí)現(xiàn)水平地震動力的有效傳遞。

通過以上各項(xiàng)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(jiān)實(shí)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(shí)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(xiàng)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(diǎn)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(gè)方向的柱間豎向支撐互相配合，構(gòu)成一個(gè)連續(xù)、密閉的支護(hù)體系。通過這種布局方式，整個(gè)主體建筑在強(qiáng)震下表現(xiàn)出較好的動態(tài)性能，即在兩個(gè)主軸方向上整個(gè)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(xiàng)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(jì)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(shí)，需將荷載折減后納入計(jì)算；在驗(yàn)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(jìn)行校核時(shí)，應(yīng)采用經(jīng)過折減后的荷載標(biāo)準(zhǔn)值；在校核次梁的變形時(shí)，按未經(jīng)過折減的標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算荷載。在設(shè)計(jì)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(jì)算得到各種組合工況，再將各組合工況輸入計(jì)算機(jī)程序中，從而完成荷載的組合計(jì)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(jì)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(jì)前需重點(diǎn)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(xiàng)工作需工藝專業(yè)配合進(jìn)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(jì)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(jì)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(jì)時(shí)要進(jìn)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(diǎn)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(xiàng)工作需工藝專業(yè)配合進(jìn)行。在此基礎(chǔ)上，通過與各專業(yè)的協(xié)調(diào)，實(shí)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(xiàng)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(jìn)行分析計(jì)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(shí)際尺寸進(jìn)行三維建模，在模型上施加真實(shí)的荷載，考慮各種荷載組合工況，構(gòu)建出接近實(shí)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行規(guī)范校驗(yàn)。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(xiàng)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(gè)方向釋放彎矩，另一個(gè)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(jì)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(jìn)行校核。國內(nèi)設(shè)計(jì)院在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)精確快速地迭代計(jì)算，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面的選取進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在實(shí)際設(shè)計(jì)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(jì)算應(yīng)力與材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度比值達(dá)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(qiáng)度控制為主的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，優(yōu)先選擇高強(qiáng)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(jìn)行截面優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以在滿足主廠房荷載要求的同時(shí)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(jì)是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作，既要進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，又要進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)。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(jì)，選擇合適的連接方式，對支撐進(jìn)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(jì)輸入荷載，避免設(shè)計(jì)失誤。通過采用有限元計(jì)算軟件對主廠房鋼結(jié)構(gòu)梁、柱、 支撐構(gòu)件截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以滿足主廠房的荷載需要，同時(shí)降低鋼結(jié)構(gòu)用量。通過以上各項(xiàng)優(yōu)化措施，可以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低鋼結(jié)構(gòu)用量，達(dá)到優(yōu)化降本的目的。