張俊珍

（山西省電力勘測設(shè)計院，山西 太原，030001）

1 總體介紹

1.1 工程概況

國投晉城熱電廠一期(2×300 MW)工程位于晉城市澤州縣金村鎮(zhèn)上辛安村東，廠址旁有省級道路相鄰，交通較為便利。新建電廠首期裝機容量為2×300 MW燃煤直接空冷機組，并為二期留有擴建余地。一期場地面積約為550×350 m2。

為實現(xiàn)工程項目“安全經(jīng)濟、技術(shù)進(jìn)步、控制工程造價、提高經(jīng)濟效益”的目標(biāo)，本工程土建結(jié)構(gòu)設(shè)計中，落實貫徹《2000年燃煤示范電站》設(shè)計思路即主廠房結(jié)構(gòu)選型最優(yōu)、最大限度地降低工程造價。

火力發(fā)電廠結(jié)構(gòu)設(shè)計隨著電力建設(shè)事業(yè)的發(fā)展而不斷發(fā)展，經(jīng)歷了各種結(jié)構(gòu)形式的交替發(fā)展。主廠房結(jié)構(gòu)選型不僅要貫徹執(zhí)行電力建設(shè)的基本方針和政策，控制工程造價，而且要充分結(jié)合2000年示范電廠的設(shè)計思路，做到安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟合理；同時應(yīng)充分考慮各個方面的因素，并積極推廣高新技術(shù)，使業(yè)主以合理的投資獲得最佳的經(jīng)濟效益和社會效益。

因此，在滿足工藝布置和充分配合的基礎(chǔ)上，對本期2×300 MW機組的主廠房結(jié)構(gòu)選型及結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)選、論證，結(jié)合我院已完成的關(guān)于主廠房結(jié)構(gòu)選型模式，在綜合技術(shù)經(jīng)濟比較的基礎(chǔ)上，提出結(jié)構(gòu)選型最佳方案。

1.2 主要設(shè)計技術(shù)數(shù)據(jù)

基本風(fēng)壓：0.52 kN/m2

地面粗糙度：B類

場地土類別：Ⅰ類（主廠房區(qū)域）

抗震基本設(shè)防烈度：根據(jù)2001版《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，地震動峰值加速度為0.05 g，對應(yīng)的抗震設(shè)防烈度為6度，地震分組第三組，特征周期為0.45 s。

1.3 主廠房區(qū)域工程地質(zhì)條件

主廠房區(qū)位于場地東南部，為丘陵中部。自然地面標(biāo)高794.5～799.0 m，按照總平面設(shè)計方案，主廠房區(qū)的建筑地面標(biāo)高為792.0 m，該地段為挖方區(qū)。據(jù)本次勘測結(jié)果，該場地地基土的上部為②層粉質(zhì)黏土，厚度不等，為1.0～10.0 m，層底標(biāo)高一般大于788.0 m，僅局部地段為784.5～786.0 m，下伏③層砂巖、頁巖，巖層的強風(fēng)化厚度1～2 m，以下為中等～微風(fēng)化。基礎(chǔ)底面埋深-6.0 m（標(biāo)高786.0 m），則主廠房可采用天然地基，持力層以③層砂巖、頁巖為主。

③層性質(zhì)：砂巖、泥巖、頁巖、砂質(zhì)頁巖互層（C3t）夾石灰?guī)r，單軸飽和抗壓強度1.0 MPa，承載力特征值一般大于500 kPa，力學(xué)性質(zhì)較好，為整個場地的建（構(gòu)）筑物天然地基良好持力層和下臥層。

2 主廠房抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

單機容量為300 MW及以上的重要電廠中的主要生產(chǎn)建（構(gòu)）筑物，相當(dāng)于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011中的乙類建筑。根據(jù)《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》（2010年7月）報批稿中第13.1條的要求，對于主廠房、集中控制樓、煙囪、煙道、碎煤機室、轉(zhuǎn)運站、運煤棧橋等建筑的抗震措施設(shè)防烈度應(yīng)提高1度，而建筑場地為Ⅰ類時，乙類建（構(gòu)）筑應(yīng)允許按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求采取抗震構(gòu)造措施。本工程采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB5011-2010)6.1.2條，框架抗震等級應(yīng)為三級。

3 主廠房結(jié)構(gòu)選型

3.1 主廠房結(jié)構(gòu)型式現(xiàn)狀分析

《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》要求：主廠房結(jié)構(gòu)形式應(yīng)根據(jù)材料供應(yīng)、自然條件、施工條件、維護(hù)便利和建設(shè)進(jìn)度等因素做必要的綜合技術(shù)經(jīng)濟比較后確定；主廠房框排架應(yīng)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，有條件時也可采用組合結(jié)構(gòu)；300 MW及以上的機組，主廠房的主要承重結(jié)構(gòu)必要時可采用鋼結(jié)構(gòu)。

國投晉城熱電廠一期(2×300 MW)工程于2008年4月14日至17日在山西省晉城市召開了初步設(shè)計預(yù)審查會，會議認(rèn)可了工藝專業(yè)布置的主廠房采用汽機房與煤倉間構(gòu)成的現(xiàn)澆鋼筋混凝土多層單跨框排架結(jié)構(gòu)形式。土建專業(yè)作為服務(wù)性專業(yè)，積極配合工藝專業(yè)的要求，基于對以往工程的借鑒，考慮到大多數(shù)的(2×300 MW)機組所采用的現(xiàn)澆鋼筋混凝土多層單跨框排架結(jié)構(gòu)形式已趨于成熟，本工程借鑒付諸實施。

3.2 主廠房單跨框架結(jié)構(gòu)問題所在

汶川大地震后，國家《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB5011-2010)第6.1.5條補充了控制單跨框架結(jié)構(gòu)適用范圍的要求。要求“甲、乙類建筑以及高度大于24 m的丙類建筑，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)；高度大于24 m的丙類建筑不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)?！北緱l款補充修訂的出處，來自2008年汶川大地震震害調(diào)查總結(jié)的經(jīng)驗，其主要是針對震區(qū)學(xué)校、醫(yī)院等房屋采用單跨框架鋼筋砼結(jié)構(gòu)體系在強震下破壞較多，單跨框架房屋的整體性作用很差等問題。但對于工業(yè)廠房中單跨鋼筋砼框架破壞并不突出，這可能與下列因素有關(guān)：工業(yè)建筑在地震發(fā)生時生產(chǎn)運行并沒有處于設(shè)計荷載工況，從工藝設(shè)計荷載方面存有的抗震儲備比民用房屋大，同時工業(yè)建(構(gòu))物在支撐、樓面等空間剛度的實施方面考慮也比較充足一些。

單框架或雙框架結(jié)構(gòu)體系在抗震能力設(shè)計中，承載能力的設(shè)防和儲備都是一個標(biāo)準(zhǔn)。兩種結(jié)構(gòu)體系的差異體現(xiàn)在強震情況下結(jié)構(gòu)整體的抗震能力，由于結(jié)構(gòu)不對稱，個別構(gòu)件首先出現(xiàn)塑性鉸后，其他相關(guān)構(gòu)件能否更多的相互作用。多跨框架結(jié)構(gòu)可以在不均勻性、不同時性方面提高結(jié)構(gòu)體系的抗強震的能力，單跨框架較差，而多層框排架體系介于它們之間。

《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(2010年7月)報批稿第13.1.8條規(guī)定：“發(fā)電廠多層建（構(gòu)）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。”這說明有條件時，特別是地處高烈度地震區(qū)時，盡量不要采用單跨框架的多、高層結(jié)構(gòu)，但并未完全限制單跨框排架的使用，同時也不應(yīng)該限制。因為工藝等布置特征決定了建筑的形式，單跨框排架不得不出現(xiàn)。我們使用時應(yīng)遵循概念設(shè)計，采取相應(yīng)的安全措施。

3.3 采用單跨框架結(jié)構(gòu)計算分析及構(gòu)造措施

本工程地震動峰值加速度為0.05 g，對應(yīng)的抗震設(shè)防烈度為6度，主廠房區(qū)域場地土類別為Ⅰ類，主廠房采用汽機房與煤倉間構(gòu)成的現(xiàn)澆鋼筋混凝土多層單跨框排架結(jié)構(gòu)形式。依據(jù)抗震規(guī)范要求，主廠房抗震構(gòu)造措施可不提高，仍為6度。考慮到單框架結(jié)構(gòu)應(yīng)采取相應(yīng)可靠措施提高結(jié)構(gòu)的安全度，設(shè)計階段在滿足強度、穩(wěn)定、變形及抗震等要求的前提下，抗震構(gòu)造措施按提高一度采用即為7度設(shè)計，將6度三級框架改為7度二級框架，同時還采取了如加大柱截面，避免“強梁弱柱”問題的出現(xiàn)，降低混凝土柱軸壓比，增加構(gòu)件延性等抗震構(gòu)造措施，使結(jié)構(gòu)具有足夠的剛度、延性和耗能能力。

根據(jù)《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(2010年7月)報批稿13.4.2規(guī)定：“主廠房結(jié)構(gòu)宜采用三維空間體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)整體分析，并應(yīng)將主廠房外側(cè)柱、汽機房平臺結(jié)構(gòu)（非獨立布置時）進(jìn)行聯(lián)解。”本工程在設(shè)計過程中，詳細(xì)分析了主廠房在工藝布置方案下的受力性能，保證結(jié)構(gòu)在各種不利工況下滿足強度、剛度、變形等各項要求，運用程序進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)計算和地震分析、驗算復(fù)核。對主廠房采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案所可能出現(xiàn)的對抗震不利的因素如短柱、錯層、薄弱層、異型節(jié)點等，進(jìn)行計算、分析。通過優(yōu)化層高、斷面，盡可能避免或減少短柱，對不可避免的短柱通過采用合理的箍筋形式及配置對角斜筋來提高其延性和抗剪能力；通過合理的工藝布置方案來避免異型框架節(jié)點；做到結(jié)構(gòu)豎向連續(xù)布置，力求減少各層間剛度的差異，以防形成薄弱層；在滿足工藝要求的同時使結(jié)構(gòu)盡可能規(guī)則布置，以使整個結(jié)構(gòu)體系更利于抗震。主廠房設(shè)計中，應(yīng)充分考慮汽機房各層平臺梁與主廠房A、B排柱連接后構(gòu)件之間的整體協(xié)調(diào)作用，按實際剛度計入現(xiàn)澆和裝配整體式樓（屋）蓋剛度的影響，汽機房屋面采用鋼屋架加壓型鋼板作底模現(xiàn)澆屋面板，按剛性屋面考慮。采用空間有限元程序進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)計算和驗算復(fù)核，使構(gòu)件斷面選擇合理，并結(jié)合目前成熟的技術(shù)、施工條件，進(jìn)行合理計算。力求優(yōu)化構(gòu)件尺寸，尋求最佳結(jié)構(gòu)性能，實現(xiàn)工程造價最低、總體進(jìn)度最快的目標(biāo)。

《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(2010年7月)報批稿13.4.2還指出“鋼筋混凝土主廠房結(jié)構(gòu)采用三維空間分析法時，必要時可選擇荷載較大的代表性框架進(jìn)行平面校核?！北竟こ踢\用三維空間結(jié)構(gòu)計算的同時，按主廠房縱、橫兩個方向的平面結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行內(nèi)力分析，結(jié)論同三維計算結(jié)果。以下為三維空間結(jié)構(gòu)計算結(jié)論。如表1所示。

由結(jié)論可知，本結(jié)構(gòu)體系計算由風(fēng)荷載作用控制，地震不起控制作用。

表1

本工程在優(yōu)化梁柱斷面后，適當(dāng)增大了框架的梁柱斷面，降低了軸壓比，提高了結(jié)構(gòu)的安全度，彌補了單框架在強震情況下結(jié)構(gòu)整體的抗震能力差的不足。本工程主廠房B列柱截面適當(dāng)增大為 700×1 800（800×1 800），C列柱截面為 700×1 600（800×1 600），全截面配筋率小于3.0%，軸壓比控制在0.79以下?！督ㄖ拐鹪O(shè)計規(guī)范》表6.1.2現(xiàn)澆鋼筋混凝土房屋的抗震等級規(guī)定高度大于24 m的框架結(jié)構(gòu)建筑物的抗震等級為三級，本工程設(shè)計時采用提高一級即抗震等級為二級來提高安全儲備。

4 結(jié)束語

綜上所述，本工程在充分滿足工藝專業(yè)布置的前提下，通過對主廠房空間結(jié)構(gòu)計算及縱、橫兩個方向的平面結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行內(nèi)力分析，滿足結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)定、變形及抗震等的計算要求。利用提高抗震構(gòu)造措施、增大柱截面、降低軸壓比等途徑來保證結(jié)構(gòu)安全度。故建議本工程主廠房采用汽機房與煤倉間構(gòu)成的現(xiàn)澆鋼筋混凝土多層單跨框排架結(jié)構(gòu)形式。