【摘要】火力发电厂是重要的工业建筑,主厂房作为火电厂中最重要的建筑,其结构设计的优化显得尤为重要。本文以具体工程为例,从主厂房的工艺布置特点出发,论述了主厂房的结构布置原则和结构选型分析,确定了结构形式采用钢筋混凝土框排架结构。框排架结构传统的计算方法是选取有代表性的单榀框排架进行平面计算与分析,本工程采用了两种计算模型:平面框排架结构计算和空间结构整体计算,通过对这两种计算结果的分析比较,得出结论:如果用平面模型代替整体结构进行厂房的地震反应分析将会带来很大的误差。而将空间整体计算分析的结果,通过与选取荷载较大跨,进行平面框排架计算的结果进行分析对比,最终得出合理的配筋结果。本文对火电厂主厂房的结构设计与分析,可供以后同类设计参考。 

【关键词】结构选型;结构布置原则;平面框排架;空间结构计算分析 
  近年来,随着经济的发展和国家电力产业结构的调整,火力发电厂的装机容量不断增大。小型火力发电厂做为某些化工企业的动力岛,主要用于化工过程中加热、气化,同时为本企业供电。主厂房作为发电厂中最重要的建筑,它的结构选型与结构优化设计直接关系到能否满足发电工艺要求以及工程是否经济等。因此,主厂房的结构选型与合理的结构设计显得尤为重要。 
  1. 工程概况 
  (1)山西襄矿泓通煤化工有限公司20 万吨/年合成气制乙二醇项目,场地位于襄垣县王桥镇米坪村西,占地面积约1000亩。我院主要负责热电装置区,作为整个厂区的动力源。其中主厂房为主要部分,包括汽机间、除氧间煤仓间、锅炉间。 
  (2)襄垣县抗震设防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第三组。该场地土类型为中硬场地土,场地类别为Ⅱ类。抗震设防类别为丙类(建筑平面图见图1,剖面图见图2)。
  2. 结构布置与选型 
  2.1 平面与竖向布置。 
  主厂房应根据工艺流程进行平面布置与竖向布置。 
  (1)平面布置:主厂房采用汽机间、除氧煤仓间、锅炉间三列式布置方式。主厂房为三炉两机,预留一炉一机,总长138.4m,汽轮发电机单机容量25MW,锅炉容量300t/h。横向跨度分别为:汽机间24m,除氧煤仓间13.5m,锅炉间36m。 
  (2)竖向布置分别为:汽机间8.00m层为汽机运转层,包括汽机基座、加热器平台、出线小室、检修平台等。汽机间内有一台50t桥式吊车,用于汽轮机的安装与检修,桥吊轨顶标高17.500m,汽机间屋架下弦标高20.800m。 
  (3)除氧煤仓间管道层标高4.500m,机炉控制室、电子设备间标高8.000m,除氧间运转层15.000m、煤仓间皮带层27.000m,屋面标高31.500m。 
  (4)锅炉间为非封闭式建筑,包括锅炉钢架和运转层,运转层平台标高8.000。 
  2.2 结构布置与选型。 
  火电厂主厂房的结构布置总体上必须服从设备布置和运行的需要。但是在满足工艺条件的前提下,应尽可能满足结构体系的合理。 
  2.2.1 结构布置的原则。 
  2.2.1.1 主厂房的平面布置,力求简单、规则、平直、整齐合理、受力明确、质量和刚度均匀对称。质量大的跨间不宜布置在结构单元的边缘,质量大的设备宜设置在距刚度中心较近的部位。如根据煤斗的位置布置框架时,应使煤斗尽量布置在框架正中,少做较长的悬臂结构,并不宜在悬臂结构上布置重设备。 
  2.2.1.2 主厂房坚向布置应与工艺密切配合,设备尽可能采用低位布置,并减轻工艺荷载和结构自重,降低主厂房高度和重心。汽机间屋架下弦标高除满足工艺要求外,还应尽量与除氧煤仓间相应楼层设置于同一标高处。如果汽机间和除氧煤仓间的联结点设在层间,则会形成短柱,应采取相应的抗震构造措施。 
  2.2.1.3 防震缝的设置。防震缝应保证相邻建筑物之间的双向自由变位,主厂房结构布置中,为避免结构类型,体型或体系截然不同的结构对主厂房的不利影响,主厂房主体结构与下列建筑物间应设防震缝。(1)汽机基础、锅炉基础;(2)加热器平台;(3)结构型式不同的毗邻建筑物。防震缝的宽度按《构筑物抗震设计规范》第6.1.10.4条确定。沉降缝和温度伸缩缝应符合防震缝要求。 
  2.2.1.4 锅炉钢结构宜采用独立式的结构体系,与主厂房之间应设防震缝。锅炉刚架与主厂房属不同类型的结构,若将他们联系在一起,将形成体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构。因此,设置防震缝能避免锅炉钢结构和贴建厂房的地震作用下的相互影响和破坏。 
  2.2.2 结构选型。 
  (1)依据以上结构布置原则,本工程主厂房采用钢筋混凝土框排架结构。 
  (2)汽机间采用钢筋混凝土排架结构,除氧煤仓间采用框架体系。采取汽机间排架跨屋面钢梁支撑在除氧间框架柱的牛腿上的方式,形成联合结构。这种布置方式,其横向抗侧力体系是框排架结构,由汽机间外侧柱、汽机间屋盖、除氧煤仓间框架组成,纵向抗侧力体系可采用纯框架结构、框架——钢支撑结构或框架——抗震墙结构。 
  3. 结构计算分析 
  框排架结构是火电厂主厂房中常见的一种结构形式,以往在求算这种结构时,大多沿结构横向取出标准平面框排架结构,以平面框排架反应来代表实际结构的反应。这种方法只是在厂房结构的质量和刚度分布较均匀的情况下才是合理的。由于生产工艺的需求,火电厂主厂房框排架结构中,除氧煤仓间为多层结构、汽机间为单层的大空间体系,而沿竖向的质量、刚度分布不均匀,形成竖向有高差,抗侧力构件分布不对称,质心偏离结构刚心的双向偏心的不规则结构。对于这种双向偏心结构,地震作用下空间结构的扭转效应显著,结构的纵向振动与横向振动相互耦联,所以进行空间结构计算分析是必要的。 
  《火力发电厂土建结构设计技术规程》(DL5022-2012)4.1.7条规定:“主厂房结构宜采用空间体系进行结构整体分析。整体结构宜连同主厂房外侧柱、除氧煤仓间框架等结构进行联解。”下面就以20 万吨/年合成气制乙二醇动力岛主厂房工程为例,进行主厂房三维空间分析计算和平面框架分析验证。 
  3.1 计算模型的建立。 
  3.1.1 考虑到结构形式的复杂性, 在计算辅助软件PKPM中建模时,将原型结构进行适当的简化:(1)考虑屋面钢梁对整体结构动力反应的影响较小,将屋面钢梁简化为一轴力杆件,并认为屋架梁与排架柱理想铰接,即不考虑屋面钢梁在地震下的失效问题。(2)将实际结构中的结构构架简化为空间杆或壳单元,即梁柱简化为三维空间杆单元,楼板简化为各向同性的三维矩形板壳单元。(3)框排架内填充墙简化为线性均布荷载作用在框排架梁上。 
  3.1.2 选取主厂房1~9轴,在PMCAD中建立各层的结构平面布置图,将工艺布置的各层的设备、管道运行荷载输入程序,形成最接近实际的空间结构模型。 
  3.2 结构的动力特性: 
  3.2.1 平面框排架结构的动力特性。 
  选取一中间跨的框排架结构进行分析,由计算结果可知,结构第一振型中的各柱列均做同向的第一振型振动,因此将它称作横向框排架结构水平第一振型。框排架框架部分的振型与纯框架结构的基本相同,表明对于采用平面计算模型,排架由于质量、刚度贡献都远小于框架部分,对框架部分的动力特性影响非常有限。结构的第一振型显示下部相对变形大于上部,所以框排架结构是以剪切型变形为主的结构体系。第二、三振型中,顶层振动幅度不大,故煤仓间框架顶部的地震反应主要由第一振型控制。   3.2.2 空间框排架结构的动力特性。 
  (1)主厂房空间结构的模态分析结果显示,空间框排架结构的振型以横向振型、纵向振型及扭转振型为主。第一振型对所有杆件的地震内力都有较大影响,主振动方向为沿厂房横向的平动,整体变形为剪切型变形,伴随有扭转振动。第二振型为整体扭转振型。第三振型为纵向平动,其中排架部分的侧移明显大于其他轴。 
  (2)以上结果表明:整体结构的刚度和质量分布不均匀,结构的扭转对整体受力影响显著 ,框排架结构的空间作用很明显。 
  3.3 结构的位移反应。 
  (1)框排架结构的层位移、层位移角主要由水平力控制,即由水平地震和风荷载控制。下面仅以平面框排架和空间结构的水平地震力作用下结构的位移反应做比较分析。 
  (2)平面框排架与空间框排架位移比较如下。 
  (3)由以上表1、表2可知,结构的位移采用平面模型和空间计算模型是有区别的。由于结构本身的复杂性,采用平面模型计算的楼层位移和层间位移角小于相应的空间模型计算的结果,可见框排架结构的空间作用非常显著。 
  3.4 结构内力计算与配筋: 
  (1)《火力发电厂土建结构设计技术规程》(DL5022-2012)4.1.7条规定:“钢筋混凝土主厂房结构采用三维空间分析法时,宜选择荷载较大的代表性框架进行平面分析验证”。 
  (2)因此可根据工艺布置和结构布置选取有代表性的框架进行平面计算,取最不利的计算结果进行配筋。 
  (3)前面的分析中,建立了框排架结构整体空间结构模型,并在SATWE中进行了空间结构有限元分析计算。同时选取了具有代表性的代表性的单榀,进行了PK平面框架计算,横向选取4轴为代表,纵向框架选取A轴、B轴和C轴为代表。下面列出计算结果对比简图。图5。 
  (4)以上结果表明,纵向框架平面计算与空间计算结果基本一致,配筋比小于1.1。而横向框排架,特别是框排架柱子计算配筋结果相差很大,SATWE中框架柱配筋结果在横向偏小42.5 %,这就说明,SATWE空间有限元分析设计软件,在计算钢筋混凝土框排架时还不成熟,对排架方向的空间作用分析还有待研究改进。所以结构工程师在利用软件进行辅助设计时,实际工程配筋时,应把平面计算与空间计算结果做分析比较,选取最不利的结果。 
  3.5 结构计算分析的结论: 
  (1)主厂房采用空间结构计算方法,充分考虑了结构构件的协调作用,更加符合厂房结构在荷载作用下的实际受力情况。 
  (2)该类厂房结构的纵、横向刚度相差较大,质心和刚心偏离较大,整体结构的扭转刚度偏小,扭转效应显著。由最大水平侧移空间作用比或层间侧移空间作用比可知,对于此类空间框排架结构,如果用平面模型代替整体结构进行厂房的地震反应分析将会带来很大的误差。 
  (3)钢筋混凝土主厂房结构采用三维空间分析法时,宜选取荷载较大的代表性框架进行平面分析验证。实际工程配筋时,应把平面计算与空间计算结果做分析比较,选取最不利的结果。 
  4. 结论 
  (1)火电厂主厂房结构设计时,应在满足工艺条件的前提下,进行合理的结构选型及结构构件布置,应满足结构布置的原则:平面布置力求简单、规则、受力明确、质量和刚度均匀对称。坚向布置应与工艺密切配合,并且使结构抗侧力构件连续、均匀。 
  (2)主厂房结构宜采用空间体系进行结构整体分析。采用空间结构计算方法,更加符合厂房结构在荷载作用下的实际受力情况。但是对于钢筋混凝土框排架结构,采用三维空间分析法时,宜选取荷载较大的代表性框架进行平面分析验证。