地震區某項目單框架-排架結構體系合理性論證

戴文峰

中國輕工業長沙工程有限公司，湖南 長沙 410114

我國的火力發電廠基本上都是采用爐前煤倉布置方案，汽機間、除氧間、煤倉間、鍋爐按順序布置，組成“四列式”主廠房結構體系。隨著工藝流程的改善以及降低工程造價要求的提出，火力發電廠，尤其是在125WM 以下的小型火力發電廠中，汽機間、除氧煤倉間按順序布置，使主廠房形成“三列式”單框架-排架結構體系。這種布置方式具有各功能區分布合理、工藝流程暢通、運行管理方便、工程造價較低等優點，從而被廣泛采用。但是單框架-排架結構體系的抗震性能存在先天不足，在設計的審查過程中受到現行規范中某些條款的限制，要如何論證其合理性，存在不少難以把握的問題。特別是抗震設計規范中關于“單框架”的理解，在施工圖審查時有被提出違反強制條文的風險。這是火力發電廠中主廠房結構體系關于抗震設計普遍關注的問題。

1 單框架-排架結構體系的計算

1.1 布置方案及基本參數

某項目火力發電廠主廠房采用“三列式”布置，由A列柱+汽機間鋼屋面+BC 跨（除氧煤倉間）組成單框架-排架結構體系。主廠房縱向為9 跨7m 的框架，汽機間跨度24m，除氧煤倉間跨度12m。屋面鋼梁下弦標高21.5m；電纜夾層標高4.5m；運行層標高8m；除氧層標高15.5m；煤倉間標高28m；屋面標高33m。

基本設計參數：抗震設防烈度為6 度，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類；基本風壓為0.35kPa，地面粗糙度為B 類；汽機間檢修吊車及其他設備荷載、各層樓面活荷載標準值均取自工藝專業提供的資料以及《火力發電廠土建結構設計技術規程》（DL 5022—2012）。

1.2 計算過程

為配合項目施工圖設計，主廠房主要采用PKPM 軟件計算，并采用MIDAS 有限元軟件做輔助分析，計算模型見圖1。

1.3 計算結果

圖1 主廠房計算模型

（1）最大層間位移角及位移比。主廠房結構體系在X向、Y 向地震作用及風荷載作用下的最大層間位移、位移比，通過PKPM 系列軟件和MIDAS 有限元分析軟件進行計算，結果見表1、表2。從表1、表2 中可以看出，該結構最大層間位移角均滿足規范不大于1/550 的要求，且最大位移與平均位移比值為1.0 ～1.5，平面布置屬于扭轉不規則，但滿足規范要求。

表1 最大層間位移角及位移比PKPM 計算結果

表2 最大層間位移角及位移比MIDAS 計算結果

（2）周期比。主廠房整體模型振型周期見表3，以扭轉為主的第一自振周期與以平動為主的第一自振周期之比，通過PKPM 計算結果為1.3089/1.8920=0.692，通過MIDAS計算結果為1.2550/1.8474=0.679，均小于高層建筑混凝土結構技術規程中的相關要求，結構平面布置較規則。

2 單框架- 排架結構體系抗震設計的合理性判斷

2.1 是否符合現行抗震設計規范中的條款

主廠房橫向計算模型可以簡化為除氧煤倉間單框架和汽機間輕鋼屋面組成的框-排架結構形式。由于鋼屋面對混凝土框架結構的約束作用有限，主廠房橫向結構已經形成實質意義上的單框架結構，且高度達到38m。這樣的結構形式似乎不符合抗震設計規范中“高度大于24m的丙類建筑，不應采用單框架結構；高度不大于24m 的丙類建筑不宜采用單框架結構”的規定。

表3 振型周期計算結果

但是，在工業建筑中，為滿足大型設備及工藝流程的布置要求，結構構件的抗震設計不可避免地會遇到特定問題。與一般建筑工程不同，這些特定問題一般在相關的行業規范中予以規定，故抗震設計規范中特地注明“行業有特殊要求的工業建筑，其抗震設計應按有關專門規定執行”。而且針對火力發電廠的結構特點，我國電力行業標準《火力發電廠土建結構設計技術規程》（DL 5022—2012）中規定“發電廠多層建（構）筑物不宜采用單框架結構，當采用單框架結構時，應采取提高結構安全度的可靠措施”。通過對規范條文的深入理解和合理判斷，行業標準中并沒有簡單機械的套用抗震設計規范中關于單框架結構的條款，也沒有完全否認這種結構形式。

2.2 是否影響結構體系的抗震承載力

目前，我國房屋建筑抗震采用三水準設防，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”，并采用二階段設計方法予以實現。從抗震承載力設計方法來看，單跨框架結構與多跨框架結構是沒有差別的，采用的是同一種標準，其結構構件在相同荷載和工況下的承載能力是一樣的。但是，從結構體系的整體結構安全性來看，多跨框架結構具有更多的冗余度，更高的安全性，這就是結構體系魯棒性上的差異。結構體系的魯棒性是以避免結構垮塌為目標的整體結構安全性，三水準設防中的“大震不倒”即屬于魯棒性的范疇。結構體系主要由梁、板、柱、墻等構件組成，它們對結構體系魯棒性的貢獻不同，其中，貢獻最大的稱為關鍵構件，如框架結構中的框架柱。如果這些關鍵構件遭到破壞，則會引起結構體系的坍塌或大面積的破壞。特別是單框架結構中的框架柱，如果在地震作用下被損壞，帶來的后果是毀滅性的。因此，在抗震設計時，除了要求其滿足承載力驗算，還應留有一定的安全儲備，并且適當加強抗震構造措施。

從近年來的震害情況來看，工業建筑中的單跨框架結構破壞情況并不明顯。因為工業建筑在生產運行并處于最不利荷載工況時，恰巧發生地震的概率較小，結構構件的承載力安全儲備較多。而且火力發電廠主廠房可以通過調整框架柱的截面大小，使結構體系在X、Y 兩個方向的抗側力剛度接近，盡可能地減小結構體系的扭轉效應，減小了單框架結構的不利因素。

3 提高結構安全度的措施

（1）在滿足工藝布置的前提下，不推薦采用“三列式”單框架-排架結構體系，結構布置成多跨框架或剪力墻，其中，多跨框架最大布置間距見表4。

表4 多跨框架之間的最大間距 單位：m

（2）結構承載力計算時，合理預留結構構件的承載力安全儲備，特別是單框架中的框架柱，建議控制其軸壓比值不大于0.7。設計過程中結合工藝布置，力求豎向結構構件連續布置，減少各層間剛度的差異，避免形成薄弱層。

（3）加強結構構件的抗震構造措施，建議框架柱配箍率提高30%左右，增強單框架結構體系的延性和抗側剛度。

（4）由于工藝布置的需求，框架柱在局部可能因夾層、錯層等因素產生短柱，建議在短柱范圍內通長加密箍筋，并按構造要求配置對角斜向鋼筋。

（5）汽機間鋼梁與柱牛腿的連接，應采取加強措施。在高烈度抗震設防區，可在框架柱中預埋型鋼，然后與汽機間鋼梁焊接，形成剛性連接。

4 結束語

綜上所述，火力發電廠中主廠房采用單框架-排架結構體系是安全的，其計算結果能滿足國家相關規范規程的要求。但由于其抗震魯棒性低，在多次審查會議中，專家均建議在高烈度抗震設防區不采用這種結構體系，在低烈度抗震設防區，如果考慮到工藝布置及工程造價方面的因素，主廠房可采用“三列式”布置，而且應在方案設計時，與審圖中心事先溝通，避免施工圖審查時因單框架而一票否決的情況發生。