發電廠土建結構概念和體系優化

王學民

（中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州 310012）

1 發電廠結構概念和體系優化

先進的設計思想可以通過概念設計成分來展現[1]。大型火力發電廠是一個復雜的系統工程，各個局部單獨進行優化的結果是形成的總體并不優化。一個工程項目的優化必須從大系統的全局進行，才能達到真正的優化效果，這就是工程系統全局優化設計。

工程系統全局優化的概念適用于工程項目全壽命的每一個階段，應該在每個階段都進行該階段的全局性優化，這就是工程全系統全壽命優化。例如煙囪結構，不僅要考慮初期建設的費用，還要考慮到將來的維修費用；煤場的形式不僅要考慮初期建設的投入，還要考慮將來的運行成本。可見，結構的優化設計，不僅僅是單純的配筋率問題，配筋率最優并不意味著結構設計的最優。

廣義而言，土建結構工程優化有4個層次[1]：結構功能的優化、結構選型的優化、結構設防荷載的優化和設防荷載條件下的最小造價。結構設計應該貫徹“功能合理、荷載取準，充分發揮材料強度”的設計原則，合理布置結構構件，做到單體結構的造價最優。

結構的功能對結構的造價影響很大，功能過高會造成浪費，過低則會影響整個工程將來的運行。例如，對大跨空間結構，最重要的是確定結構所需覆蓋的空間尺寸；對棧橋結構最重要的是確定各跨的跨度及荷載；對高聳結構（煙囪）最重要的是確定它的高度和剛度，合理考慮其抗震性能[2]。對于輔助建筑，可以考慮多個建筑的合并建設，這會影響到整個工程的造價。

在確定結構的功能后再進行選型優化。例如大跨度空間結構的煤棚，可采用多種類型的結構方案，如拱形結構、懸索結構、網架結構、薄殼結構和薄膜結構等。對于棧橋，可選用梁式結構、拱形結構、懸索結構和斜拉結構等；對于煙囪，可選用鋼塔架結構、混凝土圓筒結構等；對于主廠房，可選用鋼結構、鋼筋混凝土結構等。

對于發電廠結構，荷載的選取關系到結構的造價和安全性。由工藝專業提供的荷載，往往會不準確從而影響到結構設計。

確定結構的形式和荷載后，就可以對結構進行計算分析，合理布置結構構件，做到單體結構的造價最優。對于復雜結構，可應用大型通用有限元軟件等來進行計算分析[3]。

2 主廠房結構概念和體系優化

2.1 結構功能的優化

結構的功能對其造價影響很大，傳統四列式主廠房具有荷載大，剛度、質量分布不均勻，錯層短柱多的結構特點。這些問題單從結構的角度很難解決，只有與工藝布置結合才能設計出完美的結構。為此，選定側煤倉間的工藝布置方案，總體布置見圖1，將結構體系分為2部分：汽機房消除了四列式布置的短柱、錯層的結構等不利因素；側煤倉間結構整齊，使得結構的剛度、質量分布均勻。

2.2 結構體系優化

圖1 側煤倉主廠房布置

影響汽機房結構布置的主要因素是溫度，即2臺百萬機組主廠房要設幾條溫度縫的問題。溫度問題長期以來一直困擾著超長混凝土結構設計，雖然已作了大量研究，但至今沒有很好地解決。目前，越來越多的在建火力發電廠百萬機組主廠房采用現澆鋼筋混凝土框架結構，其主廠房每臺機組一般至少有9個跨度，長度90 m左右。現行的《混凝土結構設計規范》規定：室內現澆時框架結構的最大適宜伸縮縫間距為55 m，當有充分依據和可靠措施時可適當增加間距。若設置伸縮縫則需采用雙柱，在增加工程造價的同時還給工藝布置帶來一系列問題。此外，變形縫的設置還會增加建筑處理方面的難度。

有些工程采用2臺機組設2條伸縮縫，根據工藝布置最大程度地減小了結構計算單元的長度，但是2個計算單元還是超出了規范的長度限制，并沒有完全解決溫度問題。本文提出采用底層內置伸縮縫的方法解決溫度問題[4-5]，具體做法見圖2。

2.3 結構設防荷載的優化

荷載的選取關系到發電廠結構的造價和安全性，采用三維設計平臺上開發的荷載傳導軟件，可以由工藝和土建聯合確定荷載的傳導形式，為發電廠結構的合理優化設計提供了平臺。

2.4 風荷載設計

側煤倉間處于汽機房、鍋爐房、電除塵支架和煙囪組成的圍合空間內，如圖3所示。側煤倉間鍋爐方向的風荷載考慮到鍋爐的遮擋作用，其風壓高度變化系數應予以折減，參照《建筑結構荷載規范》中對于山間盆地、谷地等閉塞地形風壓高度變化系數折減的規定[4]，取修正系數η=0.75～0.85。

圖2 底層單柱伸縮縫做法

圖3 側煤倉間所處空間位置

考慮到鍋爐并非完全封閉，選用修正系數0.85，其作用等于將風荷載減小了15%。

汽機房與鍋爐房凈距離滿足抗震縫要求，2個建筑物基本合并。確定汽機房橫向風荷載體形系數時，應與鍋爐整體考慮。考慮到鍋爐并非完全封閉，將重疊部分風荷載折減0.7，相當于總體風荷載體形系數由1.3變為0.95，減小了27%。

以上分析是研究性分析，不能直接用于施工圖設計。施工圖設計時要考慮風荷載折減，要進行更仔細的分析，必要時需進行風洞試驗。

3 建筑樁基概念及優化

當天然地基承載力不足時，發電廠大量使用樁基處理，樁基的優化一方面可通過合理的計算[9]，另一方面可通過提高樁基的承載力來完成。

對于灌注樁，樁身承載力由鋼筋承載力和混凝土承載力兩部分組成[6-7]，對樁頂5倍直徑范圍內加密箍筋，以增加縱向配筋強度。若按HRB335級鋼筋考慮，取配筋率為0.65%，對于直徑800 mm灌注樁，考慮鋼筋承載力可提高承載力14%；如果采用HRB400級鋼筋，將進一步提高承載力20%。

對于由樁身強度控制承載力的樁基，比如嵌巖樁，考慮到嵌巖費用和工時較多，設計應考慮充分發揮基巖和樁身材料的性能，做到樁身抗壓強度與巖土側阻端總承載力匹配，樁身混凝土強度不宜低于C40[8]。

根據《建筑地基基礎設計規范》要求：水下灌注混凝土的樁身混凝土強度等級不宜高于C40。在混凝土各項性能有保障的前提下，可將澆筑混凝土強度等級達到C45[7]。

通常發電廠灌注樁都采用C30混凝土。在鹽漬土地區的一些工程中，用C40灌注樁能提高樁身的耐腐蝕性[10-11]。一些大型公用建筑[20]和橋墩樁基[12]也采用了C40混凝土灌注樁。與C30混凝土的灌注樁相比，樁身采用C40混凝土，不僅可以提高樁身的耐久性，同時還可提高了33%的樁基承載力。

4 煤系統建（構）筑物概念及優化

4.1 碎煤機室

傳統的碎煤機基礎采用彈簧隔振基礎，直接布置在大梁上，四周用變形縫與樓板隔開，如圖4所示。樓板上需開設很大的洞口，主體結構的框架梁不能拉通，結構上需要用牛腿支承大梁來承擔隔振平臺，局部出現短柱及復雜的梁系，承重結構設計復雜。

圖4 碎煤機隔振平臺優化

基于傳統隔振方式的缺點，與工藝專業配合對隔振平臺進行簡單改進，將隔振平臺上移至運轉層之上。這樣，主體框架梁可以拉通，隔振平臺的荷載直接傳給主體框架梁柱，受力簡單明確。該方法目前已應用于印尼蘇納拉亞等多個發電廠的實際工程中。

4.2 棧橋概念及優化

輸煤棧橋支架部分考慮以鋼筋混凝土結構為主，支架橫向根據棧橋高度，必要時設橫向短肢；縱向地震水平力一般通過棧橋底端設置來承擔。棧橋橋面部分跨度較小時采用現澆混凝土結構，跨度較大時采用鋼桁架。棧橋設計時應合理考慮風荷載的作用[13]。抗震地區的棧橋，應注意其與周邊轉運站的連接構造[14]。棧橋結構的優化重點是縱向桁架結構，可考慮采用以下思路：

（1）縱向采用連續桁架[15]。計算分析表明，棧橋縱向采用24 m連續桁架經濟效益最優，與單跨分離式桁架相比，節約鋼材20%以上。其缺點是施工困難。

（2）常規角鋼桁架由于采用大量的節點板，鋼材有較大的浪費。計算表明，單跨桁架采用H型鋼無節點板桁架比有節點板桁架節約鋼材20%。縱向上下弦桿采用H型鋼無節點板桁架[16-20]。

（3）縱向桁架采用下沉式三角桁架。桿件均采用鋼管，不設節點板。分析表明，與常規單跨桁架相比，可節約鋼材20%。

（4）支承鋼筋混凝土框架有條件采用下大上小的梯形，更加經濟合理。

5 干灰庫概念及優化

常見的干灰庫是鋼筋混凝土筒倉結構。儲灰層筒壁混凝土水平抗拉，配筋以裂縫控制，不能充分發揮材料強度。針對干灰庫結構的受力特點，儲灰層筒壁采用鋼板結構。按常規灰庫側壁內外22@100的水平方向配筋，不計豎向鋼筋，僅水平鋼筋折算鋼板厚度為7.59 mm，估算采用鋼板后鋼材強度仍有富余，除節省混凝土外，還可節省鋼材。

6 綜合管架概念及優化

目前，發電廠綜合管架常用的結構型式有：雙向鋼結構,縱橫向鋼筋混凝土結構及橫向鋼筋混凝土框架、縱向鋼梁結構。

各型式都存在各自的缺點：雙向鋼結構的造價過高；縱橫向鋼筋混凝土結構施工相對困難，工期較長；橫向鋼筋混凝土框架、縱向鋼梁結構，這是最常見的結構形式，但其不足在于混凝土框架的材料強度往往不能充分發揮，框架柱多采用構造配筋，縱向鋼梁受彎，一些情況下是撓度控制，鋼材強度未能充分發揮。

綜合管架橫向鋼筋混凝土框架縱向鋼結構，關鍵在于優化縱向鋼結構。如圖5所示，可考慮以下結構優化措施：

圖5 綜合管架優化措施示意

（1）增大跨度，用足柱的軸壓比，并綜合考慮用足地基基礎的承載力。充分發揮鋼筋混凝土框架的材料強度。

（2）采用縱向鋼桁架，充分發揮鋼材的高強度；與縱向鋼梁相比，可節約鋼材10%。

（3）縱向采用鋼拉桿結構，充分發揮鋼材的抗拉強度。與縱向鋼桁架相比，可節約鋼材10%。

7 結語

根據全壽命整體優化設計概念，貫徹最優設防荷載下的最小造價設計理念，力圖充分發揮材料強度。文中對火力發電廠主廠房及全場主要土建結構進行了概念性優化分析，結果表明：采用C40混凝土灌注樁，節約全廠樁基費用33%；綜合管架采用橫向鋼筋混凝土縱向鋼拉桿結構，與傳統縱向鋼梁結構相比節約鋼材20%；干灰庫分析了傳統結構、預應力結構和儲灰層鋼板結構，從節約材料的角度鋼板結構最優，從節約投資角度，傳統結構最優；輸煤棧橋采用下沉式三角鋼管桁架，與傳統桁架相比，節約鋼材20%；對碎煤機室的隔振臺座布置進行了革新，新的結構形式的主體結構受理合理，且更加經濟。