某大型火力發(fā)電廠主廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉斌 李龍

(中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西太原 030001)

某大型火力發(fā)電廠主廠房鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉斌 李龍

(中國能源建設(shè)集團山西省電力勘測設(shè)計院有限公司，山西太原 030001)

介紹了“框架—支撐”和“支撐—框架”兩種結(jié)構(gòu)體系的特點，針對山西某大型火力發(fā)電廠地處地震高烈度區(qū)的實際情況，從抗震概念設(shè)計、鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計及工程造價等方面，綜合比較了兩種結(jié)構(gòu)體系的適用性，提出了主廠房鋼結(jié)構(gòu)采用“支撐框架”體系的方案。

火力發(fā)電廠，主廠房，鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系

1 工程概況

山西某火力電廠建設(shè)規(guī)模為2×350 MW，安裝兩臺燃煤空冷發(fā)電機組，主廠房采用鋼結(jié)構(gòu)，總長度144 m。廠址場地地震動峰值加速度0.20g(對應(yīng)地震烈度為8度)。地震動反應(yīng)普特征周期為0.35 s，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類。

2 結(jié)構(gòu)體系介紹

1)“支撐—框架”是“鉸接支撐框架體系”的簡稱，它是由柱間支撐和梁柱鉸接的框架構(gòu)成的鋼結(jié)構(gòu)體系，其豎向荷載由框架柱承擔(dān)，側(cè)向力由支撐承擔(dān)。目前，該體系在國內(nèi)電廠主要在鍋爐鋼架中使用較多，主廠房鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用較少。“框架—支撐”是“框架—中心支撐體系”的簡稱，豎向荷載由框架柱承擔(dān)，側(cè)向力由中心支撐框架和抗彎框架共同承擔(dān)。屬于嚴(yán)格意義上的雙重抗側(cè)力體系，符合GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范中有關(guān)多道設(shè)防的定義和要求，目前國內(nèi)各大中型火力發(fā)電廠鋼結(jié)構(gòu)主廠房大多數(shù)應(yīng)用該體系。兩種體系的結(jié)構(gòu)簡圖見圖1，圖2。

圖1 支撐一框架體系

圖2 框架一支撐體系

2)兩種結(jié)構(gòu)體系的技術(shù)特點對比見表1。

表1 “框架—支撐”與“支撐—框架”特點對比表

3 兩種結(jié)構(gòu)體系的技術(shù)經(jīng)濟對比分析

3.1 抗震性能比較

通過對兩種結(jié)構(gòu)體系定義及特點比較可知，“框架—支撐”屬于兩道設(shè)防的抗震體系，而“支撐—框架”體系屬于一道設(shè)防的抗震體系，從抗震方面來說，“框架支撐”具有較強的抗震承載能力，相對較大的適用范圍，但是，在提高抗震能力的同時，也帶來了計算和其他方面需滿足更高要求問題;“支撐—框架”體系因為一道設(shè)防的“先天不足”，在抗震承載能力和適用范圍方面有較大的局限性，例如在電廠主廠房的設(shè)計中，“支撐—框架”體系為彌補抗震上的不足(一道抗震設(shè)防)，需增加支撐數(shù)量，這給電廠工藝布置和運行增加了困難和不便。

3.2 節(jié)點設(shè)計制作比較

對于電廠的鋼結(jié)構(gòu)主廠房，兩種結(jié)構(gòu)體系的梁、柱一般均采用焊接H形截面，“支撐—框架”體系的梁柱連接采用的是鉸接方式，一般情況下，橫向鋼梁通過端部的連接件(角鋼或節(jié)點板)與豎向鋼柱采用高強度螺栓連接，這種螺栓連接的方式構(gòu)件制作相對簡單，也便于工廠化的制作和現(xiàn)場的安裝。而“框架—支撐”體系的梁柱連接節(jié)點為剛性連接，為減少現(xiàn)場焊接的工作量，采用預(yù)先在工廠焊接短懸臂梁段與柱，柱翼緣與懸臂梁段梁翼緣的連接方式為全熔透坡口焊縫，焊縫等級通常為一級焊縫，要求較高，加工和檢測的任務(wù)繁重。懸臂梁段到現(xiàn)場后與梁的中間段拼接方式為翼緣對接焊、腹板螺栓連接或全部為螺栓連接。“框架—支撐”體系的這種連接方式，因焊接量較大，且質(zhì)量要求較高，與“支撐—框架”相比，在節(jié)點的制作和連接不占優(yōu)勢。

“支撐—框架”體系中，支撐構(gòu)件與梁柱通過單節(jié)點板連接。而支撐構(gòu)件與節(jié)點板、節(jié)點板與梁、柱構(gòu)件一般采用高強螺栓連接;采用這種連接方式，各類構(gòu)件的制作較為簡單，現(xiàn)場安裝也十分的便利，對工人的技術(shù)水平要求不高。“框架—支撐”體系中的的支撐構(gòu)件與梁柱的連接，通常采用是支撐端部段在工廠中直接焊于梁、柱節(jié)點上，支撐中部段在現(xiàn)場通過拼接的做法與工廠中已經(jīng)焊接在梁柱節(jié)點上的支撐端部段連接，且支撐桿端一般要求做成圓弧狀。圖3，圖4為兩種結(jié)構(gòu)體系的典型節(jié)點形式。通過比較，“框架—支撐”體系的支撐與梁柱連接節(jié)點比“支撐—框架”體系的制作要復(fù)雜。

3.3 經(jīng)濟性比較

基于兩種體系的受力特點，“支撐—框架”結(jié)構(gòu)體系理論上可以減少主廠房柱斷面和支撐的斷面，可以節(jié)約鋼材，但對高烈度區(qū)的抗震設(shè)防要求有降低，原因如下。

圖3 支撐一框架典型節(jié)點

圖4 框架一支撐典型節(jié)點

1)“框架—支撐”體系因為抗側(cè)力構(gòu)件相對“支撐—框架”要強得多，也就是側(cè)向剛度較大，所以其自振周期相對“支撐—框架”體系要小。即在實際的設(shè)計中“框架—支撐”體系各類構(gòu)件的截面一般比“支撐—框架”體系要大，“支撐—框架”體系的各類構(gòu)件的截面雖小，但結(jié)構(gòu)的整體剛度也有所提高，對抵抗地震作用及抵御變形是非常有利的。

2)“支撐—框架”體系因其支撐為唯一的抗側(cè)力構(gòu)件，支撐的應(yīng)力比在設(shè)計時通常較大，為達到降低用鋼量的目的，其最大的應(yīng)力比已接近1.0。而“框架—支撐”體系，為滿足多道設(shè)防的要求，其支撐構(gòu)件必須按照《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》規(guī)定進行加強，如其內(nèi)力的設(shè)計值要乘以1.5的內(nèi)力增大系數(shù)，考慮到地震作用的循環(huán)往復(fù)，支撐的設(shè)計強度還要乘以降低系數(shù)來進行設(shè)計，所以構(gòu)件的截面面積明顯增加，用鋼量也隨之增加，但同時也提高了結(jié)構(gòu)安全的冗余度。“支撐—框架”結(jié)構(gòu)體系雖能降低用鋼量，但是應(yīng)力比已經(jīng)接近1.0，如支撐發(fā)生破環(huán)，結(jié)構(gòu)體系有垮塌的危險可能性，這與抗震設(shè)計中的多道設(shè)防的要求是不相符合的，所以在高烈度地區(qū)這種體系一般不建議采用。

3)因為“框架—支撐”體系中，梁和柱的連接為剛性連接，這種連接方式通過塑性內(nèi)力重分布，能減小豎向荷載作用下與之相連的橫向鋼梁的跨中彎矩，因此橫向鋼梁的截面一般比“支撐—框架”體系中的橫向鋼梁斷面小。在實際計算和工程中，橫梁的用鋼量“框架支撐”比“支撐—框架”降低了約10%。

4)關(guān)于連接部件和其他附件的鋼材量，對于“支撐—框架”體系的鋼結(jié)構(gòu)主廠房，通過對“新疆喀什電廠”用鋼量統(tǒng)計，占主廠房鋼結(jié)構(gòu)全部主材量的比例約為8%;而對于“框架—支撐”體系的鋼結(jié)構(gòu)主廠房，通過對國內(nèi)已實施的工程統(tǒng)計，其占主廠房結(jié)構(gòu)全部主材質(zhì)量的比例一般不超10%。兩種體系的鋼結(jié)構(gòu)主廠房高強度螺栓的使用數(shù)量，“支撐—框架”體系中各類構(gòu)件的連接均為螺栓連接，而“框架—支撐”體系中，通常僅梁和支撐的腹板采用螺栓拼接，上下翼緣一般采用焊接連接。附件和螺栓的數(shù)量及質(zhì)量雖尚未進行統(tǒng)計，但估計“支撐—框架”體系的用量要小一些。

理論上“支撐—框架”結(jié)構(gòu)體系可以節(jié)約用鋼量，但是實際工程中的應(yīng)用卻受多方面條件的制約，效果并不理想，如國內(nèi)的各類規(guī)范，對支撐—框架體系無明確規(guī)定，造成了設(shè)計單位的“無據(jù)可依”，再者實施案例較少，經(jīng)驗性的內(nèi)容無從談起。出于安全余度的考慮這種節(jié)約的效果可能并不明顯。

目前已知實施的“支撐—框架”結(jié)構(gòu)體系的鋼結(jié)構(gòu)主廠房，為華電新疆喀什火力發(fā)電廠，裝機容量為2×35 MW，與忻州火力發(fā)電廠容量相同，兩處廠址的地震基本烈度均為8度，場地類別稍有不同，喀什為Ⅱ場地土，地震峰值加速度0.3g，忻州為Ⅲ場地土，地震峰值加速度0.2g。經(jīng)過與施工方的調(diào)研，喀什工程的主廠房總用鋼量為6 490 t(施工圖用量)，因為工藝布置的不同，喀什工程有毗屋，現(xiàn)從總用鋼量中核減掉毗屋的用鋼量283 t，總用鋼量為6 207 t，考慮到基本加速度因素(喀什為0.3g，忻州為0.2g)，現(xiàn)喀什工程的用鋼量按原來的90%計列，總用鋼量為5 586.3 t，忻州主廠房總用鋼量為5 610.6 t(初設(shè)階段工程量，未優(yōu)化)，同等條件下兩種體系的主廠房用鋼量差距僅為24.3 t，主廠房分項用鋼量比較見表2。可見從用鋼量上比較，“支撐—框架”結(jié)構(gòu)體系并未見優(yōu)勢。“框架支撐”體系雖用鋼量有所增加，但從抗震角度，該體系的優(yōu)勢是顯而易見的。

表2 “新疆喀什”與“忻州廣宇”主廠房分項用鋼量對比 t

4 結(jié)論及建議

“支撐—框架”體系雖有足夠的抗震承載能力，但其也有“一道抗震設(shè)防”的先天不足，“罕遇地震”下的剛度急劇衰減的風(fēng)險。與之相比，高烈度區(qū)的主廠房采用“框架支撐”體系是合理的，目前國內(nèi)99%的電廠主廠房采用“框架—支撐”體系。“支撐—框架”結(jié)構(gòu)與“框架支撐”體系相比，在加工和安裝上具有諸多優(yōu)點，但目前國內(nèi)無相關(guān)規(guī)范，這也造成了設(shè)計、施工等環(huán)節(jié)的“無據(jù)可依”，再者目前實施的同等規(guī)模的工程全國僅有一例，可參考的實踐經(jīng)驗寥寥。“支撐—框架”體系的鋼結(jié)構(gòu)廠房與“框架—支撐”體系的鋼結(jié)構(gòu)廠房相比，從概念設(shè)計和理論分析上可節(jié)約一定的鋼材用量，但通過忻州相同機組容量的喀什發(fā)電廠工程的調(diào)研，用鋼量僅節(jié)約24.3 t，經(jīng)濟效益并不明顯。基于各種條件的綜合，忻州火力發(fā)電廠鋼結(jié)構(gòu)主廠房采用了“框架—支撐”結(jié)構(gòu)體系。

［1］崔 佳.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范理解與應(yīng)用［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［2］GB 50011—2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］DL 5022—2012，火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程［S］.

On steel structural design of main workhouse in some large heat-engine plant

Liu Bin Li Long
(Shanxi Power Survey and Design Institute Co.，Ltd，China Energy Engineering Corporation Limited，Taiyuan 030001，China)

The paper introduces the features of the“framework-support”and“support-framework”structural systems，undertakes the comprehensive comparison of the two systems from the seismic concept design，joint design of steel structures，and engineering cost according to the fact of some large heat-engine plant in some high intensity earthquake zone，and points out the“support-framework”can be adopted in the steel structure of the main workhouse.

heat-engine plant，main workhouse，steel structure，structural system

TU391

:A

1009-6825(2016)36-0046-02

2016-10-18

劉 斌(1979-)，男，碩士，工程師