高烈度地震區側煤倉結構選型及抗震性能分析

趙春曉，趙志

(河北省電力勘測設計研究院，石家莊市，050031)

0 引言

火力發電廠主廠房布置越來越多地采用模塊化設計，側煤倉布置則因能減小主廠房體積、節省工藝4大管道投資、降低A列到煙囪的距離指標等優點，得到越來越廣泛的應用。側煤倉布置在2臺鍋爐之間，為1個獨立的結構體系。在水平布置上，除端頭轉運站處之外，其他均為較規則的結構;但在豎向布置上，由于給煤機層、煤斗支撐層、皮帶層等設備荷載相差很大(相應框架梁剛度相差亦很大)，同時綜合各層樓板開洞、端頭布置樓梯間、高位布置轉運站等因素，因此豎向布置很不規則。特別是當采用鋼筋混凝土框架結構時，梁高為3 m左右的煤斗大梁處“強梁弱柱”的存在，使側煤倉間框架結構出現了一些在抗震概念設計方面的薄弱環節。因此，地震高烈度區側煤倉間結構選型及抗震性能至關重要。

1 工程概況

本文所結合的工程位于抗震設防烈度為8度的區域，場地土類別為Ⅲ類。300 MW供熱機組的主廠房布置采用側煤倉方案，側煤倉間高度為39.6 m，橫向跨度為8.8 m+14 m+8.8 m(共3跨)，縱向6個柱距，柱間距為9，12 m，煤倉間總長度為57 m。煤倉間共分4 層，標高分別為 ±0、12.6、33.6、39.6 m 層，皮帶層屋頂標高39.6 m。其中±0 m層布置磨煤機，12.6 m為給煤機層，33.6 m為皮帶層，39.6 m層為老虎頭。側煤倉間框架布置如圖1所示。

2 側煤倉結構選型原則

側煤倉結構布置需滿足工藝設備布置、管道安裝及檢修空間利用等要求，同時還應該滿足結構承載力、變形等要求。對于抗震高烈度區的側煤倉結構，建筑抗震設防類別為乙類。

圖1 側煤倉間布置Fig.1 Arrangement diagram of side bunker

合理的抗震設計，除了要滿足結構抗震計算，更重要的是做好結構的抗震概念設計，主要包括以下幾點［1-3］:

(1)應具有簡單、規則、對稱、質量和剛度變化均勻的結構形式。

(2)結構體系具有明確的計算簡圖、合理的力傳遞路徑、合理的強度和剛度分布、良好的變形能力。

(3)各類構件應具有必要的強度和變形能力(或延展性)。

(4)各類構件之間應具有可靠的連接。

(5)抗震結構的支撐系統應能保證地震時結構穩定。

3 規范對結構選型的規定及分析

主廠房通常采用的結構方案有鋼筋混凝土結構和鋼結構2種，但是由于2種結構形式抗震延性不同，規范對鋼筋混凝土框架的適用高度限制較嚴。GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》［4］第 6.1.1 條規定:抗震措施設防烈度8度時，現澆鋼筋混凝土框架結構最大適用高度為40 m;抗震措施設防烈度9度時，現澆鋼筋混凝土框架結構最大適用高度僅有24 m。當鋼筋混凝土結構的房屋高度超過最大適用高度時，應通過專門研究，采用有效加強措施，如采用型鋼混凝土構件、鋼管混凝土構件等。文獻［4］第6.1.3條中第4條規定:當甲乙類建筑按規定提高1度，確定其抗震等級，而房屋的高度超過本規范規定的上界時，應采取比一級更有效的抗震構造措施。

600 MW/1 000 MW機組主廠房的側煤倉間框架結構高度一般為50～55 m，300 MW機組側煤倉框架結構高度一般為40～45 m，再考慮剛度不均勻結構的最大適用高度折減，側煤倉鋼筋混凝土框架結構高度均已超過以上規范的限高要求，因此宜采用型鋼混凝土結構、鋼管混凝土結構等形式。

4 側煤倉結構選型

為滿足高烈度區抗震設計要求，電廠主廠房結構形式一般采用鋼結構(鋼支撐-鋼框架結構)和鋼筋混凝土結構(鋼筋混凝土框架-剪力墻結構)。高烈度地震區側煤倉宜采用型鋼混凝土柱-分散剪力墻結構，這種結構較為充分地利用了混凝土、鋼結構2種材料的優點。在側煤倉鋼筋混凝土柱內配置軋制型鋼或焊接型鋼，充分利用混凝土的高抗壓性能和鋼材的高抗拉壓性能，使鋼筋混凝土與型鋼形成整體，共同受力，從而大大提高鋼筋混凝土柱的抗震延性，實現“強柱弱梁、強剪弱彎”的抗震設計。

型鋼混凝土結構在具有很強的抗震性能，這在日本多次大地震中已得到了充分的驗證。日本地震高發區抗震規范規定:高度超過45 m的建筑物不得使用鋼筋混凝土結構，而型鋼混凝土結構則不受此限制［5］。

側煤倉采用型鋼混凝土框架-剪力墻結構，工程初期投資比鋼結構節省明顯。就本工程而言，側煤倉采用型鋼混凝土框架-剪力墻結構，比采用鋼結構節省初期投資約400萬元。同時，還避免了高額的后期維護費用。

5 型鋼混凝土結構側煤倉抗震性能分析

本文以前述工程側煤倉布置為例對其型鋼混凝土框架柱-分散剪力墻結構進行抗震性能分析。柱混凝土強度等級C50，抗震等級一級，橫向框架抗震等級大于一級。中間跨柱斷面800 mm×1 200 mm;中間配置型鋼900 mm×400 mm×18 mm×26 mm;邊跨柱斷面700 mm×1 000 mm;剪力墻厚度500～700 mm。

5.1 承載能力

由于型鋼混凝土結構中的型鋼可不受鋼筋混凝土結構配筋率的限制，通過調整型鋼斷面，它的承載力可以達到同外形同類構件承載力的1.5倍以上。對于本工程而言，在配置上述型鋼的情況下，相同混凝土截面柱鋼筋混凝土-型鋼組合構件截面抗彎剛度為混凝土結構的1.15倍，截面軸向剛度為混凝土構件的1.2倍。因此，其抗彎、抗壓能力均得到有效提高。

5.2 變形能力

在彈性設計階段，型鋼混凝土與混凝土結構變形能力差別不大，形狀相同的斷面尺寸，計算層間位移角數值基本接近;而在塑性設計階段，型鋼混凝土框架最大彈塑性層間位移角比混凝土結構增大明顯，表明型鋼混凝土框架結構在達到破壞荷載后，仍能確保在承載能力不顯著降低的條件下，擁有良好的塑性變形能力［2］。這一點在本工程實際計算中也得到了驗證。表1為工程相同斷面混凝土框架柱的鋼筋混凝土結構和型鋼混凝土結構位移計算值。

表1 鋼筋混凝土和型鋼混凝土結構變形能力比較Tab.1 Comparisons of deformation between reinforced concrete and steel reinforced concrete structure

5.3 抗震設計計算指標

采用系列軟件對本工程選定的型鋼混凝土柱-分散剪力墻結構側煤倉間進行了彈性、靜力彈塑性分析計算，分析其抗震性能。彈性階段主要抗震指標如表2所示，彈塑性階段主要指標如圖2所示。

表2 型鋼混凝土結構側煤倉彈性階段主要抗震指標與計算結果對比情況Tab.2 Comparisons between seismic index and calculated results for side bunker with steel reinforced concrete structure

由圖2可以看出，整體結構阻尼比大于彈性阻尼比5%，結構進入塑性階段，能力譜曲線均能穿越需求譜曲線。

6 結語

圖2 型鋼混凝土框架柱－分散剪力墻結構能力譜－需求譜圖(橫向)Fig.2 Relationship between capacity spectra and demand spectra for steel reinforced concrete structure

本文所述的結構計算分析表明:在高烈度地震區主廠房側煤倉采用型鋼混凝土柱-分散剪力墻結構是安全可行的。針對剛度和強度分布不均勻以及由于工藝布置造成的梁剛度大于柱剛度的主廠房側煤倉結構，在鋼筋混凝土柱中加入型鋼，形成組合結構，不僅有效地提高了鋼筋混凝土柱屈服后的變形能力，同時也相應提高了柱抗剪承載能力，防止結構在過大層間變形后發生整體倒塌。型鋼混凝土結構已在高層建筑和橋梁結構中得到廣泛應用，但目前在火力發電廠主廠房結構中的應用還較少，其詳細的連接節點設計和施工值得深入研究。

［1］吳濤，白國良，劉伯權.大型火力發電廠鋼筋混凝土框排架主廠房結構抗震性能試驗研究［J］.建筑結構學報，2007，28(3):46-52.

［2］鄭山鎖，鄧國專，李磊，等.型鋼高強高性能混凝土框架結構抗震性能的實驗研究［J］.工程力學，2009，26(5):88-93.

［3］白國良，劉志欽，康靈果.型鋼混凝土框排架結構主廠房擬動力實驗研究［J］. 世界地震工程，2009，25(3):55-60.

［4］GB 50011—2010建筑抗震設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2010.

［5］JGJ 3—2002高層建筑混凝土結構技術規程［S］.北京:中國建筑工業出版社，2002.