火電廠主廠房結構抗震設計分析與研究

蒙勝柱

（內蒙古第三電力建設工程有限責任公司，內蒙古　包頭　014010）

工程技術

火電廠主廠房結構抗震設計分析與研究

蒙勝柱

（內蒙古第三電力建設工程有限責任公司，內蒙古包頭014010）

研究建筑結構性能的抗震設計和廠房結構位移的性能設計，分析了廠房結構性能水平與性能目標。

性能設計；性能指標；性能目標

引言

隨著施工及吊裝能力的逐漸提高，電廠機組容量的不斷增大，鋼筋混凝土結構和鋼結構在近年來得到很好的應用。但由于結構體系性能不足，傳統鋼筋混凝土結構整體的抗震性能差，且存在很多的薄弱環節，導致結構安全儲備低、耐久性不好，不宜在高烈度地區使用。現在8度設防及以上高烈度地區的大容量機組火電廠主廠房結構普遍采用鋼框架一支撐結構體系，雖提高了結構的抗側剛度以及承載能力，但限制了發電設備的布置以及設備運行的檢修空間。鋼結構體系投資相對較大并且維護復雜，這導致大容量機組在地震高烈度地區的普及應用受限。

1　建筑結構基于性能的抗震設計

1.1基于性能設計方法的特點

設計者對結構的抗震設防水準的認識、抗震設計方法理解以及抗震構造措施選取是基于性能的抗震設計的基礎，基于性能的抗震設計的重要組成部分也包括概念設計和合理構造措施。將結構地震反應與預期性能水平直接聯系起來是基于性能的抗震設計一大特征，并且需要將選擇的性能水平和預期的性能目標進行結構對比與評價。社會經濟水平、建筑結構重要性、結構造價以及遭遇地震后的損失是確定建筑結構性能目標和性能水平的基本標準。能量設計法、位移的設計方法、綜合設計法是基于性能設計的常用方法。基于能量的設計方法是通過控制結構構件的耗能能力來控制整體結構抗震能力，依據是地震輸入的能量和結構的耗能能力決定建筑結構及內部設施破壞程度。在結構整體側移模式的基礎上將多自由度體系等效為單自由度體系，并通過側移模式反算出多自由度體系的地震位移，這是基于位移的設計方法理論依據。

1.2基于性能設計與常規設計方法比較

1）與現行抗震規范相比，基于性能的設計方法在不同強度地震作用下要求結構有明確的性能水平。而現行抗震規范在定量的描述上并不明確，規范中的計算方法和構造措施則是以結構性能要求的最低為設計值。2）常規抗震設計方法則主要針對結構的承載力進行設計，而沒有從整體提出明確的規范。而基于性能的設計方法在目標性能水平時則需要綜合考慮社會經濟水平，建筑結構的重要性、可維護性以及可能遭受地震作用下的經濟損失。3）基于性能的設計方法不僅僅滿足規范要求，它還兼顧業主的要求，并允許研究者以及設計者創新，利于新材料和新技術的推廣普及［1］。

2　火電廠主廠房結構性能水平與性能目標

2.1火電廠主廠房結構性能水平及劃分

按照工業建筑結構內部設備的使用特點以及設備震害調研可將關鍵設備分為位移敏感型、速度敏感型和加速度敏感型三類。位移敏感型和加速度敏感型設備是火電廠主廠房內大多數的設備。然而火電廠主廠房內部加速度敏感型設備基本上都放置在地面，并設有獨立的基礎，據此特點，結構在設計時可以用強震下位移敏感型設備與結構的抗震性能來考慮火電廠主廠房結構的內部構件、非結構構件的綜合性能，火電廠主廠房結構的性能分為五個水平（使用功能完好、使用功能連續、保證人身安全、接近倒塌、倒塌）表現結構抗震性能等級及劃分。

2.2火電廠主廠房結構的性能指標

研究結果表明，影響建筑結構性能水平的兩大因素包括結構破壞形態和破壞程度，結構的破壞形態可用層間位移角量化不同強度地震作用的結構性能來表達。當強烈地震時，主廠房結構的破壞主要是由于剪切力導致，層間位移角在1/3300～1/1100范圍時，剪力墻就會被破壞，并且層間位移角大于1/2 000，剪力墻的作用衰減劇烈，剛度衰減嚴重。但剪力墻輕微破壞不影響結構使用，故層間位移角極限值可適當放寬，取為1/1000。層間位移角超過1/500時，結構狀態為彈性狀態，剪力墻則處于彈塑性階段。通過國內外學者對型鋼混凝土結構的抗震性能研究，SRC柱的彈性極限層間轉角是1/250，屈服極限層間轉角是1/120，極限狀態層間位移角是1/30。因此，對于“使用功能連續”、“保證人身安全”和“倒塌”性能水平，火電廠主廠房結構的結構層間位移角極限值可取為1/250、1/120和1/50。

3　主廠房結構基于位移的性能設計

1）火電廠主廠房結構進行滿足工藝要求的初步設計，主要依據規范等確定柱網以及剪力墻尺寸。并按工程經驗對材料強度等級和柱及剪力墻截面尺寸等進行選擇。2）火電廠主廠房結構采用剪切層間位移角限值作為結構的性能量化指標，采用有害層間位移角作為剪力墻的性能水準量化指標，這樣就兼顧了裝機容量和地震設防烈度以及業主要求的抗震性能目標。3）通過對結構彈塑性的分析，得出火電廠主廠房結構各性能水準的水平側移的修正曲線。計算各樓層等效單自由度體系的等效質量和目標位移。4）將樓層剪力作為集中荷載作用在各樓層來計算火電廠主廠房結構的整體變形，驗證各樓層層間位移角是否大于1/700，以修正火電廠主廠房結構構件的截面尺寸。5）當火電廠主廠房結構的剛度滿足要求后，可將層間剪力分配給各樓層的主要抗側力構件并結合火電廠主廠房結構地震作用效應以及重力荷載效應對構件承載力及縱向受力鋼筋進行配筋計算［2］。

4　結語

1）火電廠主廠房屬特殊工業建筑，結構內部存在昂貴的工業設備，結構破壞對設備的影響嚴重，震后結構及內部關鍵設備維修費用昂貴。故進行火電廠主廠房結構基于性能抗震設計方法研究意義重大。2）火電廠主廠房基于性能的抗震設計時，應從結構內部構件、非結構體系以及內部主要設備性能入手，將火電廠主廠房結構的性能劃分為使用功能完好、使用功能連續、保證人身安全、接近倒塌、倒塌，并有害層間位移角和層間位移角對結構性能水準進行量化。3）以電力設備和結構設計共同確定的極限狀態為條件，并依據位移性能設計方法的基本原理建立火電廠主廠房少墻型鋼筋混凝土框架結構基于位移的性能設計方法。

［1］程斌，薛偉辰.基于性能的框架結構抗震設計研究［J］，地震工程與工程振動，2003（4）:50-55.

［2］白紹良，譯.鋼筋混凝土建筑結構基于位移的抗震設計［R］.國際結構混凝土聯合會綜合報告，2003.

（編輯：賈娟）

Analysis and Research on Seism ic Design of Power Plant Main Workshop Structure

Meng Shengzhu
（Inner Mongolia Third Electric Power Construction Engineering Co.，Ltd.，Baotou Inner Mongolia 014010）

In this paper，the seismic design of building structure performance is analyzed，the performance of the displacement of the plant structure design is introduced，and analyzes the performance level of the plant structure and performance objectives.

performance design；performance index；performance objectives

TU352.11

A

2095-0748（2016）11-0020-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.11.08

2016-04-22

蒙勝柱（1963—），男，內蒙古包頭人，本科，畢業于中原工學院，工程師，研究方向：電力建筑工程建設。