地震區(qū)某項(xiàng)目單框架-排架結(jié)構(gòu)體系合理性論證

戴文峰

中國輕工業(yè)長沙工程有限公司，湖南 長沙 410114

我國的火力發(fā)電廠基本上都是采用爐前煤倉布置方案，汽機(jī)間、除氧間、煤倉間、鍋爐按順序布置，組成“四列式”主廠房結(jié)構(gòu)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(fā)電廠，尤其是在125WM 以下的小型火力發(fā)電廠中，汽機(jī)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(jié)構(gòu)體系。這種布置方式具有各功能區(qū)分布合理、工藝流程暢通、運(yùn)行管理方便、工程造價較低等優(yōu)點(diǎn)，從而被廣泛采用。但是單框架-排架結(jié)構(gòu)體系的抗震性能存在先天不足，在設(shè)計的審查過程中受到現(xiàn)行規(guī)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(shè)計規(guī)范中關(guān)于“單框架”的理解，在施工圖審查時有被提出違反強(qiáng)制條文的風(fēng)險。這是火力發(fā)電廠中主廠房結(jié)構(gòu)體系關(guān)于抗震設(shè)計普遍關(guān)注的問題。

1 單框架-排架結(jié)構(gòu)體系的計算

1.1 布置方案及基本參數(shù)

某項(xiàng)目火力發(fā)電廠主廠房采用“三列式”布置，由A列柱+汽機(jī)間鋼屋面+BC 跨（除氧煤倉間）組成單框架-排架結(jié)構(gòu)體系。主廠房縱向?yàn)? 跨7m 的框架，汽機(jī)間跨度24m，除氧煤倉間跨度12m。屋面鋼梁下弦標(biāo)高21.5m；電纜夾層標(biāo)高4.5m；運(yùn)行層標(biāo)高8m；除氧層標(biāo)高15.5m；煤倉間標(biāo)高28m；屋面標(biāo)高33m。

基本設(shè)計參數(shù)：抗震設(shè)防烈度為6 度，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類；基本風(fēng)壓為0.35kPa，地面粗糙度為B 類；汽機(jī)間檢修吊車及其他設(shè)備荷載、各層樓面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值均取自工藝專業(yè)提供的資料以及《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL 5022—2012）。

1.2 計算過程

為配合項(xiàng)目施工圖設(shè)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(jié)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(jié)構(gòu)體系在X向、Y 向地震作用及風(fēng)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(jìn)行計算，結(jié)果見表1、表2。從表1、表2 中可以看出，該結(jié)構(gòu)最大層間位移角均滿足規(guī)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(zhuǎn)不規(guī)則，但滿足規(guī)范要求。

表1 最大層間位移角及位移比PKPM 計算結(jié)果

表2 最大層間位移角及位移比MIDAS 計算結(jié)果

（2）周期比。主廠房整體模型振型周期見表3，以扭轉(zhuǎn)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(jié)果為1.3089/1.8920=0.692，通過MIDAS計算結(jié)果為1.2550/1.8474=0.679，均小于高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程中的相關(guān)要求，結(jié)構(gòu)平面布置較規(guī)則。

2 單框架- 排架結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)計的合理性判斷

2.1 是否符合現(xiàn)行抗震設(shè)計規(guī)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(jī)間輕鋼屋面組成的框-排架結(jié)構(gòu)形式。由于鋼屋面對混凝土框架結(jié)構(gòu)的約束作用有限，主廠房橫向結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成實(shí)質(zhì)意義上的單框架結(jié)構(gòu)，且高度達(dá)到38m。這樣的結(jié)構(gòu)形式似乎不符合抗震設(shè)計規(guī)范中“高度大于24m的丙類建筑，不應(yīng)采用單框架結(jié)構(gòu)；高度不大于24m 的丙類建筑不宜采用單框架結(jié)構(gòu)”的規(guī)定。

表3 振型周期計算結(jié)果

但是，在工業(yè)建筑中，為滿足大型設(shè)備及工藝流程的布置要求，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)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(guān)的行業(yè)規(guī)范中予以規(guī)定，故抗震設(shè)計規(guī)范中特地注明“行業(yè)有特殊要求的工業(yè)建筑，其抗震設(shè)計應(yīng)按有關(guān)專門規(guī)定執(zhí)行”。而且針對火力發(fā)電廠的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（DL 5022—2012）中規(guī)定“發(fā)電廠多層建（構(gòu)）筑物不宜采用單框架結(jié)構(gòu)，當(dāng)采用單框架結(jié)構(gòu)時，應(yīng)采取提高結(jié)構(gòu)安全度的可靠措施”。通過對規(guī)范條文的深入理解和合理判斷，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中并沒有簡單機(jī)械的套用抗震設(shè)計規(guī)范中關(guān)于單框架結(jié)構(gòu)的條款，也沒有完全否認(rèn)這種結(jié)構(gòu)形式。

2.2 是否影響結(jié)構(gòu)體系的抗震承載力

目前，我國房屋建筑抗震采用三水準(zhǔn)設(shè)防，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”，并采用二階段設(shè)計方法予以實(shí)現(xiàn)。從抗震承載力設(shè)計方法來看，單跨框架結(jié)構(gòu)與多跨框架結(jié)構(gòu)是沒有差別的，采用的是同一種標(biāo)準(zhǔn)，其結(jié)構(gòu)構(gòu)件在相同荷載和工況下的承載能力是一樣的。但是，從結(jié)構(gòu)體系的整體結(jié)構(gòu)安全性來看，多跨框架結(jié)構(gòu)具有更多的冗余度，更高的安全性，這就是結(jié)構(gòu)體系魯棒性上的差異。結(jié)構(gòu)體系的魯棒性是以避免結(jié)構(gòu)垮塌為目標(biāo)的整體結(jié)構(gòu)安全性，三水準(zhǔn)設(shè)防中的“大震不倒”即屬于魯棒性的范疇。結(jié)構(gòu)體系主要由梁、板、柱、墻等構(gòu)件組成，它們對結(jié)構(gòu)體系魯棒性的貢獻(xiàn)不同，其中，貢獻(xiàn)最大的稱為關(guān)鍵構(gòu)件，如框架結(jié)構(gòu)中的框架柱。如果這些關(guān)鍵構(gòu)件遭到破壞，則會引起結(jié)構(gòu)體系的坍塌或大面積的破壞。特別是單框架結(jié)構(gòu)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(shè)計時，除了要求其滿足承載力驗(yàn)算，還應(yīng)留有一定的安全儲備，并且適當(dāng)加強(qiáng)抗震構(gòu)造措施。

從近年來的震害情況來看，工業(yè)建筑中的單跨框架結(jié)構(gòu)破壞情況并不明顯。因?yàn)楣I(yè)建筑在生產(chǎn)運(yùn)行并處于最不利荷載工況時，恰巧發(fā)生地震的概率較小，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力安全儲備較多。而且火力發(fā)電廠主廠房可以通過調(diào)整框架柱的截面大小，使結(jié)構(gòu)體系在X、Y 兩個方向的抗側(cè)力剛度接近，盡可能地減小結(jié)構(gòu)體系的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減小了單框架結(jié)構(gòu)的不利因素。

3 提高結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)承載力計算時，合理預(yù)留結(jié)構(gòu)構(gòu)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(shè)計過程中結(jié)合工藝布置，力求豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件連續(xù)布置，減少各層間剛度的差異，避免形成薄弱層。

（3）加強(qiáng)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震構(gòu)造措施，建議框架柱配箍率提高30%左右，增強(qiáng)單框架結(jié)構(gòu)體系的延性和抗側(cè)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(chǎn)生短柱，建議在短柱范圍內(nèi)通長加密箍筋，并按構(gòu)造要求配置對角斜向鋼筋。

（5）汽機(jī)間鋼梁與柱牛腿的連接，應(yīng)采取加強(qiáng)措施。在高烈度抗震設(shè)防區(qū)，可在框架柱中預(yù)埋型鋼，然后與汽機(jī)間鋼梁焊接，形成剛性連接。

4 結(jié)束語

綜上所述，火力發(fā)電廠中主廠房采用單框架-排架結(jié)構(gòu)體系是安全的，其計算結(jié)果能滿足國家相關(guān)規(guī)范規(guī)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(shè)防區(qū)不采用這種結(jié)構(gòu)體系，在低烈度抗震設(shè)防區(qū)，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(yīng)在方案設(shè)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(fā)生。