建筑设计论文发表主厂房单双框架结构比较

　　摘 要：火力发电厂主厂房是电厂的核心，其结构形式的布置直接决定整个电厂的安全性和经济性。受汶川地震的影响，以及新版抗规针对多层和高层单跨框架的使用提出了限定性的要求，故电厂主厂房使用单跨框排架结构时必须慎重。

　　关键字：结构布置,技术比选,工程量分析

　　1 概述

　　主厂房布置模式由先前的常规三列式(汽机房—除氧间—煤仓间)布置方案发展为两列式布置方案(汽机房—除氧煤仓间合并布置)和侧煤仓方案，其中侧煤仓方案又分为(汽机房—除氧间+侧煤仓)和(单排架+侧煤仓)方案。主厂房布置模式的多样化，导致主厂房结构必须采取灵活多变的结构体系。由于结构专业受制于工艺布置的原因，很多结构方案一开始构思就受到其他专业的限制，所以结构专业处理问题时遇到了很大的挑战性。

　　两列式布置方案(汽机房—除氧煤仓间合并布置)就工艺本身来说确实有其优越性，但是由于除氧煤仓间合并布置，结构相应减少了一排框架柱，从一定程度上讲由于减少了一排抗侧力构件而降低了结构的安全储备。

　　本文目的是论证在保留工艺专业的“除氧煤仓间合并布置”的主厂房布置方案的前提下，提出在炉前平台锅炉侧增设D排混凝土柱，同时与除氧煤仓间框架形成刚接双跨框架的结构设想。并将此方案与常规的三列式(常规双框架)和两列式(常规单框架)进行技术经济比对，论证其可行性。同时通过结构计算确定D排柱和框架梁的截面，推荐出优化合理的主厂房结构设计方案。

　　2 工程实例

　　某电厂，8度(0.20g), II类场地，场地特征周期：0.35s, 基本风压：0.45kN/m²(50年一遇);且为新建电厂，建设规模为2×200MW超高压双抽凝汽供热发电机组，配2×670t/h超高压煤粉炉，同步配套建设脱硫装置，预留脱硝，并留有扩建条件。

　　3 主厂房结构布置方案

　　3.1工艺布置

　　根据工艺专业布置的要求，本期主厂房按二机二炉燃煤机组进行设计，装机容量2×200MW，主厂房布局为汽机房—除氧煤仓间—锅炉房。主厂房纵向机组单元中间设置变形缝插入距1.2m，双柱双屋梁。从汽机房立面看，左为主厂房固定端，右为扩建端。

　　3.2结构选型：

　　本工程采用钢筋混凝土结构。由于工艺布置已经确定采用除氧煤仓间合并布置的方案，因此我们重点考虑在不违反现有规范和保证结构安全度的前提下策划布置结构体系。

　　3.2.1 现有相关结构规范和规定的要求：

　　(1)10版《建筑抗震设计规范》6.1.5条明确提出“甲、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑，不应采用单跨框架结构;高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构”。

　　(2)12版《火土规》11.1.8条规定“发电厂多层建(构)筑物不宜采用单跨框架结构，当采用单跨框架结构时，应采取提高结构安全度的可靠措施”，同时对于炉前平台的结构体系，做了“主厂房与锅炉本体间的炉前(侧)平台结构，运转层以上应采用轻型结构，并允许采用滑动或滚动支座连接，支座构造应满足防震缝宽度的要求。”的具体规定。

　　(3)《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010 6.1.2条抗

　　震设计的框架结构不应采用单框架。(此处高层建筑指10层及10层以上或房屋高度大于28m的住宅建筑和房屋高度大于24m的其他高层民用建筑。电力行业建筑不作为高层建筑范畴。)

　　(4)2012年11月20日在杭州召开了电规协会土建专委会关于“主厂房结构体系研讨会”，会议上达成了统一的认识，归纳为“火电厂主厂房结构属多层混凝土框排架结构”和“主厂房结构不宜采用单跨框架结构，若采用须有一定的措施”的意见。

　　3.2.2 本工程的特点：

　　由于本地区设防烈度为8度(0.2g)，同时又属为超过20万人口

　　城市供热的热电站，主厂房属于重点设防类建筑，应按9度采取抗震措施。本工程由于地震烈度比较高，地震作用较大，同时受工艺专业所限，采用除氧煤仓间合并布置的方案的限制，因此必须采取严格的抗震措施。

　　本工程另有一个特点，就是锅炉钢柱的柱距均为9米，同时在工艺布置上可保证框架柱的纵向轴线与锅炉钢柱的轴线相应对齐。

　　3.2.3 主厂房结构体系设想：

　　通过分析，我们发现，如果在炉前平台锅炉侧增设D排混凝土柱，

　　与除氧煤仓间框架形成刚接双跨框架，可从结构概念上就可以满足《抗规》的要求，也可以保证除氧煤仓间框架合并布置的合理性。同时由于框架柱的纵向轴线与锅炉钢柱的轴线相应对齐，炉前热机专业的煤粉管和风管的布置几乎不受影响。因此我们针对此设想作了如下的结构方案。

　　由于新疆地区属寒冷气候区，一般炉前平台和锅炉都要求设置封闭要求，因此考虑将D列柱通过炉前平台楼层梁和炉前高封屋面梁进行刚接以形成框架结构，同时考虑到两层框架梁过于薄弱，因此在两层楼面间再设置一层框架梁。这样做的目的有以下几点：

　　(1)通过设置D列柱使炉前平台与锅炉钢柱结构脱开，保证混凝土结构和钢结构这两种体系互不关联，各自形成独立完整的体系，受力清晰，体系明确，较为符合抗规和土规的设计要求。

　　(2)由于增设D列柱，使整个主厂房框架结构由单跨变为双跨，抗侧力构件相应增加，结构耗能节点相应增多，使结构抗震防线的可靠性得到提高。

　　(3)通过刚接横梁的联系，可使D列柱分担一部份地震作用产生的倾覆弯矩和剪力，达到调整BC列柱的地震内力的目的，使之相对均匀，同时通过计算可以降低C列柱的断面尺寸。

　　如果D列柱断面取值过小，联系横梁过柔过少，显然加设此列柱的意义不大，结构仍然是单框架的概念。只有达到一定的刚度，D列梁柱体系才能起到双跨框架的作用。问题在于，D列柱断面如何取值，框架横梁层数设置多少层，其断面取多大才能起到双框架的作用呢?本文正是要研究上述问题，通过计算了解核实上述参数的取值。

　　4 结构技术比选：

　　4.1方案比选原则：

　　技术分析比选时，推荐方案(即上述的除氧煤仓间合并布置，并采用增设D列柱模式)为方案一，方案一中为确定D列梁柱断面尺寸，又根据断面的不同分为A ，B，C三种计算模型;常规单框架方案(除氧煤仓间合并布置，没有D列柱模式)为方案二，结构模型依照新疆电力设计院1998年设计的某电厂(4×200MW)为参照原形。

　　两种方案横向为混凝土框排架结构，纵向为框架-抗震墙结构体系(考虑到8度地震设防区结构位移的要求，在每个结构单元的端部增设一道抗震纵墙)。框架抗震等级为一级，抗震墙抗震等级为一级。

　　分析时，首先针对方案一的三种模式进行PK模块的分析，以求得最佳的柱断面和梁断面的参数取值，从中选取一个最佳的组合方案。然后用这个组合方案，再与方案二(常规单框架)进行计算对比，通过采用SATWE模块进行空间建模分析，对结构的周期，地震反应，剪重比，刚重比，结构位移，配筋等方面进行综合比较，同时采用PK模块进行校核，以确定本推荐方案在抗震性能的提高方面有多大的作用。

　　4.2 pk模块平面计算：

　　通过上述计算结果分析可知，随着D列柱截面的增加，B、C列柱截面的适当减小以及C轴~D轴梁刚度和数量的增加，使得CD之间的刚度增大，从而大幅度分担了C列柱内力。因此增设D列柱对框架起作用的前提是D列柱断面的取值、C轴~D轴框架梁截面的取值以及框架梁的数量。D列柱断面越大，横梁层数越多，截面越大，所分担的地震内力越大。具体就本方案而言，当达到组合方案C的情况时，可以看出，D列柱所承担的轴力已经超过C列柱，而C列柱的柱根弯矩也缩减为A组合的75%左右，因此可以判断，此时D列框架已经开始发生作用，同时轴压比B,C,D各列也比较均匀，较好地符合了结构抗震的延性设计理念。

　　因此对于推荐方案中各构件的断面尺寸和结构型式，确定为按组合C进行。

　　4.3 SATWE模块计算：

　　空间计算比对时按方案一的组合C模式与常规单框架方案二进行比对，以下是比对结果：

　　(1)自振周期，地震基底剪力和剪重比，刚重比等结构特性：

　　通过上述对比可以看出，二者之间由于调整了柱截面的关系，其结构刚度比较接近，因此周期和地震作用相差不大。但是根据SATWE计算结果可以看出，由于增设了D列柱，使得结构的抗扭刚度明显增加，从周期分布上看，对于方案二的结构扭转周期Tt/T1= 0.80 ,方案一的结构扭转周期Tt/T1= 0.71 ,方案一明显小于方案二,因此可以推断出,由于增设了D列柱使得结构扭转效应降低,结构平面规则性更趋于合理。

　　结构方案一相对于方案二刚重比也有明显的提高，说明结构在地震作用下的稳定性也更趋向于合理。

　　(2) 地震作用下内力和位移计算结果对比:

　　通过上述技术经济比对分析可以看出，增设D列柱后， C列柱由地震作用产生的轴力值由914kN减小为356KN,而柱根弯矩C列柱由2791.6kN.m减小为1706KN.m，轴压比由0.51下降到0.46,效果相当明显，由于轴压比减少和柱根弯矩值减少，可大幅降低C列柱的配筋，同时结构延性得到很大提高。

　　5 方案工程量分析：

　　经计算，推荐方案比常规单框架结构混凝土用量多261.55m3,但考虑到炉前平台和炉前高封屋面采用混凝土结构，而单框架结构采用钢结构，所以二者造价基本持平;推荐方案与常规双框架结构方案比较，混凝土用量减少1453.60m3，故有很大的优越性 。

　　6 结论

　　6.1 8度(0.20g)二类场地土地区，由于地震作用相对较大，且对属于重要电厂的主厂房结构抗震措施应提高一度，因此结构选型必须慎重。

　　6.2 当主厂房结构采用除氧煤仓间合并布置方案时，结构选型必须严格按行业规范和国家标准采取相应的措施。就本工程而言，由于锅炉钢柱柱距与框架柱距能够对齐，因此在不影响工艺布置的情况下在炉前增设一排框架柱，可以使结构的规则性和抗震性得到明显的改观。通过计算调整各柱列断面的比例关系，可以使结构抗震可靠性接近常规双框架方案的水平。

　　6.3 此推荐方案相对于常规双框架方案，工程量节省近1453.60m3，相对于常规单框架方案，工程量基本持平。

　　因此根据本工程的条件，采用除氧煤仓间框架合并布置，通过采取在炉前增设一排框架柱与除氧煤仓间框架形成刚接体系的结构，是合适的，也是满足现行规范要求的。

　　参考文献

　　[1] 建筑抗震设计规范 GB 50011-2010

　　[2] 火力发电厂土建结构设计技术规程 DL 5022-2012

　　[3] 高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2010

　　[4] 建筑结构荷载规范 GB 50009-2012

　　[5] 建筑设计防火规范 GB 50016-2006

　　[6] 混凝土结构设计规范GB 50010-2010