浅析新疆高烈度区火电厂主厂房结构设计选型

【摘要】本文主要对新疆高烈度地区火电厂主厂房结构布置和结构体系的计算对比分析，从抗震性能、工程造价和施工方便等多方面多角度论述，以本人设计的新疆库尔勒某高烈度地区火电厂主厂房结构设计为例，对比分析了各个结构体系的优缺点，给出了最优的推荐方案。

【关键词】 钢筋砼结构 钢结构 抗震性能 高烈度地区

中图分类号：TU391文献标识码： A

1概论

1.1工程简介

新疆兵团某发电厂2×350MW燃煤热电联产项目位于巴州地区，周边铁路网和公路网交织建设，运输方便，交通较便利。发电厂除提供居民采暖和工业抽气外，向巴州兵团电网负荷发展提供电力。

1.2工程地震参数

根据疆地震局所批复的该工程的地震安全性评价报告，场地的动峰值加速度为0.222g，反应谱特征周期Tg=0.45s，地震基本烈度Ⅷ度(第二组)，场地类别为III类。

2 火电厂主厂房结构设计选型原则

火电厂主厂房是核心建筑，汽轮发电机等重要设备、四大管道、各种高低压电缆和控制系统均密布于主厂房内。同时厂房工程量大，施工周较期长，合理的结构设计对保证工程质量、控制投资和缩短施工期有重大影响。因此其合理的结构体系设计就显得尤为重要。

按照《建筑抗震设计规范》的规定，Ⅷ度地区。对于框架结构体系，采用钢筋砼时最大高度40米；采用钢结构时最大高度90米。若采用钢结构的框架—支撑结构体系，房屋最大高度180米。由此可见火电厂主厂房采用混凝土结构或钢结构都满足现行规范要求。

以下从施工周期、减小上部结构自重和基础造价、综合投资和结构抗震延性等方面，对钢筋砼结构和钢钢结构两种体系进行比选论述。

3结构体系技术分析

3.1 混凝土结构布置方案

土建专业根据工艺布置方案设计了以下主厂房布置形式：

一：主厂房布置按汽机房、煤仓框架、炉前框架、锅炉房布置形式。横向由A列柱-大平台-煤仓间框架-炉前框架组成的框排架结构。

二：主厂房布置为常规四列布置，一次为汽机房、除氧框架、煤仓框架、锅炉房四列布置。横向形成由A列柱-大平台-除氧间-煤仓间组成的框排架结构。

两种布置纵向均为框架-抗震墙（剪力墙端柱设型钢芯柱）。具体尺寸和参数详表1

表1 两种结构布置形式的尺寸表

结构方案 汽机房跨度 除氧间跨度 煤仓间跨度 运转层标高 除氧器层标高 煤斗支撑层层标高 结构总高度 底层框架柱截面 抗震墙厚度

一

25m

7.5m

12.5m 12.60m 25.10m

24.40m

38.50m A列：800x1500mm

BC列：800x1800mm

D列：800x1200mm h=400mm

二

27m

7.5m

12.5m 12.60m 12.60m

24.40m

38.50m A列：800x1600mm

B列：800x1600mm

CD列：800x1800mm h=400mm

两种布置形式的结构设计简图详见图1~图3。

图1：布置一的横向结构布置图

图2：布置二的横向结构布置图

图3：纵向结构布置图（两种形式一样）

计算程序采用中国建筑科学研究院编制的SATWE模块进行结构计算分析，从结构剪重比、结构层间位移、振型模态、结构扭转性能、结构刚重比、含钢量以及弹塑性位移等全方面进行核算对比，经复核各指标均满足现行规程规范的要求，详表2。

表2： 两种布置方案结构分析计算结果对比表

布置方案

分析项目

布置一

布置二

规范要求

第一平动周期（s） 纵向TX1=1.330s

横向TY1=1.441s 纵向TX1=1.316s

横向TY1=1.511s

第一扭转周期（s） Tt=0.997 Tt=0.977

楼层最小剪力系数（剪重比） λx=0.0480

λy=0.0529 λx=0.0495

λy=0.0506 >0.032

满足要求

刚重比 x向：78.30

y向：54.16 x向：82.35

y向：42.8 >20

不考虑重力二阶效应

周期比 0.749 0.742

弹性地震层间最大位移角 x向：1/995

y向：1/624 x向：1/893

y向：1/655 x向：>1/800；x向：>1/550；

满足要求

弹塑性层间位移角 x向：1/126

y向：1/81 x向：1/130

y向：1/90 x向：>1/100；

x向：>1/50；满足要求

倾覆弯矩(KN-m) Mx=353974.7

My=322120.3 Mx=342597.9

My=263432.8

柱最大轴压比 0.38 0.46

在平面规则性方面，在结构竖向布置上算是规则的，但在平面上由于楼板局部不连续，因此本结构属于平面不规则，但不属于“特别不规则”或“严重不规则”结构，满足《建筑抗震设计规范》中3.4.1条“建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案”的规定要求。

3.2主厂房钢结构布置方案

当主厂房采用钢结构时，其工程造价高、抗震性能优良、梁柱截面较小。依据热机等专业的布置要求，主厂房结构布置形式为纵横向均为梁柱刚接+支撑体系。横向采用汽机间框架+除氧煤仓间框架以形成除氧煤仓框架横向与A列连结为刚接框架-支撑的结构体系。

通过计算分析梁柱和支撑断面尺寸如下(钢材材质Q345B)见图4~图5，

图4：横向结构布置图

图5：纵向结构布置图

上述钢结构抗震位移计算结果：最大顶点位移45.6mm(1/704)，最大层间位移45.3(1/452)，满足抗震规范要求。风荷载最大柱顶位移65mm(1/494)，厂房柱在吊车梁的顶面横向位移为30.9mm(1/725)，厂房柱在吊车梁的顶面纵向位移为6.8mm(1/4721)，均满足钢结构规范要求。横向及纵向框架地震第一振动周期均与场地地震动反应谱特征周期相差较多，避免了共振现象。

4主厂房两种材料结构布置方案技术经济比较：

4.1两种砼结构布置方案对比：

两种砼布置形式的从主厂房体积上，方案2（27.02万立方米）>方案1（18.46万立方米）；两种砼布置形式从主厂房工程量上对比，从工程造价从低向高的排序顺序从为方案2（3900万元）>方案1（3680万元）。

本文在工程量统计和造价计算中，包含项目仅为两个方案中不同之处，相同部分如电控楼、尾部风机房、热网首站、煤斗、吊车梁、锅炉紧身封闭、固扩端墙、楼梯结构等未在此表中计列。

从上述主厂房体积和工程投资对比分析结果，可以看出两种方案均优于限额设计，两种混凝土结构方案中该工程推荐方案1，次方案也是我院常用的倒置式双框架方案，已经过国投、华电、特变等多个工程的实践证明是可行的。

4.2 钢筋混凝土结构布置和钢结构布置方案对比：

①钢筋混凝土结构布置方案的特点

优点：没有支撑，有利于工艺设备、管道布置；框架柱和梁共同受力，刚度相对大；节点设计构筑简单；就地取材，施工方便；耐火、耐热、耐腐蚀性好；后期几乎不需要维护，无维护费用。

缺点：梁柱截面大，占用空间大；地震作用大；延性与韧性差短柱多，局部形成强梁弱柱，不利于结构抗震；混凝土本身施工容易，但受外界如气候条件限制，同时需要采用较高强度的混凝土，质量控制要求较高；

②钢结构布置方案的特点

优点：梁柱截面小，占用空间小；框架柱、梁、支撑共同受力，结构形式好；具有较好延性与韧性，有利于抗震；施工简单，可大多在室内加工制作；现场拼装简单，受气候条件影响小；

缺点：支撑布置不利于工艺设备、管道布置；刚度相对小，地震亦小；节点复杂，设计施工麻烦；新疆地区加工条件有限，须在内地加工；耐火、耐热、耐腐蚀性差，需要辅助其他措施，提高其耐火、耐热、耐腐蚀性；后期维护费用高。

5结论及建议

综合上述各项分析，可以得出如下结论：

(1)从结构体系方面考虑，该工程基本抗震设防烈度为VIII度，建筑场地类别III类，主厂房采用钢筋混凝土结构和钢结构两种材料均可以满足相关规程规范及规定。

(2) 通过经济性对比可以看出，对上部结构而言，混凝土结构较钢结构节省工程费用,因此混凝土结构有很明显的经济优势.

(3)对于钢筋混凝土结构厂房的2种方案，由于方案1较其他方案有较明显的经济优势，且结构较为安全合理，对工艺影响较小，从综合造价考虑，推荐方案1倒置式双框架方案。

参 考 文 献

［1］《火力发电厂土建结构设计技术规程》（DL 5022-2012）

［2］《建筑抗震设计规范》（GB5001-2010）