闞原媛，李飛舟

(新疆電力設(shè)計(jì)院，新疆 烏魯木齊 830002)

1 概述

隨著火電機(jī)組建設(shè)向著大容量、高參數(shù)的趨勢發(fā)展，電廠主廠房結(jié)構(gòu)的體量也越來越大，結(jié)構(gòu)高度和長度也越來越大。而目前電力設(shè)計(jì)行業(yè)內(nèi)大型火力發(fā)電廠包含600MW以上的主廠房采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)也越來越多。由于發(fā)電機(jī)組及設(shè)備的布置要求，大型發(fā)電廠主廠房的長度通常會(huì)可能會(huì)超出規(guī)范的限制。根據(jù)實(shí)際已經(jīng)投運(yùn)的電廠來看，結(jié)構(gòu)長度超過90m，甚至是100m的電廠主廠房結(jié)構(gòu)單元也不在少數(shù)。因此，發(fā)電廠的主廠房成為長度超過規(guī)范允許限值的超長結(jié)構(gòu)，對其溫度效應(yīng)進(jìn)行分析，研究其裂縫控制措施是具有實(shí)際工程意義的課題之一。

2 框架內(nèi)力溫度計(jì)算的必要性

以往的觀念認(rèn)為，解決超長框架結(jié)構(gòu)過大溫度應(yīng)力問題的唯一方法就是設(shè)置伸縮縫，但是設(shè)置溫度伸縮縫帶來了下列問題：

(1)由于主廠房框架結(jié)構(gòu)一般不能將伸縮縫貫穿單個(gè)機(jī)組單元，因此對于600MW等級以上的兩臺機(jī)組的主廠房，如果要保證結(jié)構(gòu)單元長度不超過《土規(guī)》的75m規(guī)定，只能把兩臺機(jī)組之間的3～4個(gè)柱距單獨(dú)作為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元 ，這樣的做法降低了框架的縱向剛度，當(dāng)?shù)卣鹆叶缺容^高時(shí)會(huì)造成設(shè)計(jì)上的困難。

(2)在設(shè)置伸縮縫位置需要采取雙排框架，處理上增加了工程造價(jià)。

(3)設(shè)置溫度伸縮縫就必須按照抗震縫的寬度進(jìn)行設(shè)置，但是新版的《抗規(guī)》認(rèn)為“震害表明規(guī)范規(guī)定的防震縫寬度，在強(qiáng)烈地震下相鄰結(jié)構(gòu)仍可能局部碰撞而損壞?！钡强p寬加大，又會(huì)造成建筑處理的困難，引起滲漏。

在目前已投運(yùn)的電廠里，絕大部分主廠房框架單元的長度都超過了《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》的75m的限制值，其中50%左右超過了85m，個(gè)別電廠甚至超過了100m。如浙江國華寧海二期電廠(2×1000MW)工程主廠房結(jié)構(gòu)單元長度為110m，華能海門電廠(2×1000MW) 主廠房結(jié)構(gòu)單元長度為104m。而對于超長結(jié)構(gòu)，必須充分考慮由于溫度應(yīng)力及混凝土收縮等間接作用引起的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，經(jīng)過充分的計(jì)算論證，采取相應(yīng)的措施，才能保證結(jié)構(gòu)的安全性能。

3 溫度內(nèi)力計(jì)算原理分析

3.1 溫度內(nèi)力的分布規(guī)律

溫度作用產(chǎn)生的主要原因是框架梁由于溫差或混凝土收縮特性產(chǎn)生的變形受到框架柱的限制，從而引起柱子的側(cè)向變形，相應(yīng)在梁構(gòu)件和柱構(gòu)件上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

圖1 主廠房框架縱梁彎矩內(nèi)力分布

圖2 主廠房框架柱彎矩內(nèi)力分布

溫度應(yīng)力或內(nèi)力的計(jì)算與外荷載作用下的內(nèi)力計(jì)算不同，溫度應(yīng)力的大小直接取決于框架柱約束剛度的大小。因此溫度內(nèi)力比較大的構(gòu)件一般都是在約束剛度最大的部位附近，如靠近基礎(chǔ)的部分，靠近抗震墻或鋼支撐的部位，而其他部位的溫度內(nèi)力很快衰減為很小的值，可以不用考慮。對于框架結(jié)構(gòu)而言，溫度效應(yīng)主要對底層框架梁產(chǎn)生軸力內(nèi)力和彎矩內(nèi)力，對底層框架柱產(chǎn)生彎矩內(nèi)力。

3.2 溫度內(nèi)力的計(jì)算理論

當(dāng)結(jié)構(gòu)材料為彈性材料時(shí)，溫度內(nèi)力的計(jì)算方法比較簡單，直接可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和材料的溫度膨脹系數(shù)建立線性平衡方程組即可以求解除結(jié)果。如目前的PKPM軟件就能直接求解除彈性溫度內(nèi)力。但是此種方法求出的內(nèi)力值過高地估計(jì)了溫度效應(yīng)，需配置較多的鋼筋，有時(shí)達(dá)到難以置信的程度。

實(shí)際上鋼筋混凝土材料本身屬于非線性材料，在溫度產(chǎn)生變化的過程中，混凝土構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生裂縫，同時(shí)混凝土又具有收縮和徐變的特性，因此實(shí)際剛度與最初采用剛度有較大改變，因此彈性分析得到的溫度(收縮)效應(yīng)與實(shí)際的溫度(收縮)效應(yīng)有較大差異。

圖3 彈性分析方法和非線性分析的結(jié)果比較

圖3是采用鋼筋混凝土材料本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行非線性分析得出的混凝土框架構(gòu)件在一個(gè)溫度變化周期內(nèi)產(chǎn)生的溫度內(nèi)力，四條曲線反應(yīng)了彈塑性分析方法和彈性分析所得到的結(jié)果區(qū)別，其中曲線a表示按彈性計(jì)算得到的結(jié)果，曲線d表示按彈塑性分析得到的結(jié)果(考慮混凝土徐變和開裂)。

從圖中可以看出，隨著溫度作用周期內(nèi)時(shí)間的增長，由于混凝土非線性材料特征的影響，結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度內(nèi)力的增長并不是隨著溫度成正比例增長，并且相對于彈性分析有相當(dāng)大的折減。

3.3 溫度內(nèi)力的簡化計(jì)算方法

非線性分析方法可以綜合考慮混凝土材料收縮，徐變和其他非線性因素的影響，可以采用有限元軟件有NASTRAN，ANSYS，ABQUS等軟件進(jìn)行分析，但是對于工程涉及而言，計(jì)算量大，考慮因素較多，無法為一般設(shè)計(jì)人員所掌握，因此目前常見的分析方法仍舊以彈性計(jì)算方法為主，但是要考慮由于混凝土開裂和徐變導(dǎo)致的混凝土剛度折減。

行業(yè)內(nèi)較有代表性和應(yīng)用較廣泛的溫度計(jì)算方法是王鐵夢教授提出的“分跨總和法和復(fù)旦大學(xué)劉開國教授提出的 “四△方程法及其微分解”。這兩種方法都是針對桿系構(gòu)件在考慮裂縫和徐變因素影響后針對構(gòu)件剛度進(jìn)行一定程度的折減后，采用彈性方法進(jìn)行簡化計(jì)算方法，在我國工程界得到了非常廣泛的應(yīng)用。

3.4 框架梁和柱的抗彎剛度折減系數(shù)

在《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出了在荷載作用下的結(jié)構(gòu)的長期剛度的計(jì)算公式，該公式反應(yīng)了結(jié)構(gòu)在存在裂縫的情況下的抗彎剛度的折減情況，可以根據(jù)此式計(jì)算抗彎剛度的折減系數(shù)。

響抗彎剛度折減系數(shù)大小的因素有構(gòu)件的配筋率、混凝土強(qiáng)度等級。我們通過對比在各種典型斷面尺寸、不同混凝土強(qiáng)度和不同配筋率的情況，得出以下規(guī)律：

(1)構(gòu)件無論斷面尺寸和材料參數(shù)，影響折減系數(shù)最根本的因素實(shí)際上是裂縫寬度或者鋼筋應(yīng)力的大小，鋼筋應(yīng)力大，裂縫寬度寬，則抗彎剛度的折減系數(shù)就明顯降低。

(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在框架梁的配筋率(受拉側(cè)鋼筋) 控制在0.6%～1.5%時(shí)，其鋼筋應(yīng)力的大小在0.06mm～0.3mm之間，抗彎剛度折減系數(shù)在0.26～0.52之間變化。

(3) 目前大多數(shù)施工圖中混凝土框架底部兩層的配筋率范圍大致都在0.8%～1.2%之間，按當(dāng)裂縫寬度按照0.2mm～0.25mm進(jìn)行控制時(shí)，根據(jù)內(nèi)插法可以得出框架梁的抗彎剛度折減系數(shù)取0.30～0.35之間.

框架柱與框架梁相比有所不同，框架柱屬于壓彎構(gòu)件和框架梁基本上屬于純彎構(gòu)件，因此對于同樣大小的彎矩來說，框架柱的鋼筋應(yīng)力相對較小，即裂縫寬度值也比梁要小，因此抗彎剛度折減系數(shù)應(yīng)該比框架梁要大。由于框架柱承受較大的軸力，且在豎向荷載作用下的彎矩值一般不大，因此框架柱的偏心距一般不會(huì)超過0.55h0，一般很少出現(xiàn)裂縫，因此在抗彎剛度折減上一般只考慮徐變的影響。按照規(guī)范要求，考慮荷載長期作用對的折減系數(shù)θ可按下列規(guī)定取用:

當(dāng)ρ'=0時(shí)，取θ=2.0；當(dāng)ρ'=ρ時(shí)，取θ=1.6

因此框架柱的剛度折減系數(shù)=1/1.6=0.625。我國《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191－2008)中第11.3.3條規(guī)定“分析鋼筋混凝土框架在溫度作用產(chǎn)生的內(nèi)力時(shí)，構(gòu)件的剛度應(yīng)取開裂后的實(shí)際剛度?？刹捎没炷灵_裂后剛度分段變化的非線性分析方法或其他降低構(gòu)件剛度的近似方法。對框架梁可取全截面剛度的0.2倍～0.4倍，對于框架柱可取全截面剛度的0.4倍～0.6倍.” 上述分析得到的結(jié)論與該規(guī)范非常一致。

3.5 綜合設(shè)計(jì)溫差的取值

混凝土自開始澆筑，到投入正常使用，一直到結(jié)構(gòu)使用期結(jié)束，整個(gè)期間伴隨著混凝土的長期收縮產(chǎn)生的收縮內(nèi)力和由外界溫度變化產(chǎn)生的溫差內(nèi)力。因此溫度內(nèi)力實(shí)際上是由混凝土自收縮和季節(jié)溫差兩部分構(gòu)成。

(1) 收縮當(dāng)量溫差

在工程界的計(jì)算方法中，通常將收縮內(nèi)力通過在一定時(shí)期內(nèi)的混凝土收縮量按照下式折算成溫差，此溫差簡稱為收縮當(dāng)量溫差。

式中：a為混凝土線膨脹系數(shù)，εy(t)為任一時(shí)刻混凝土的收縮應(yīng)變，上式反應(yīng)了收縮應(yīng)變?yōu)殡S時(shí)間變化的函數(shù)，其產(chǎn)生的當(dāng)量溫差效應(yīng)為過程較長的長期效應(yīng)。

《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191－2008)，在混凝土澆筑初期，還應(yīng)考慮因濕度變化引起的混凝土干縮對結(jié)構(gòu)的影響?；炷粮煽s變化在初估時(shí)可以將混凝土的干縮影響折減為10℃～15℃的溫降。我們的計(jì)算結(jié)果基本上與規(guī)范能夠保持一致。所以收縮當(dāng)量溫差統(tǒng)一取15℃。

(2) 季節(jié)溫差

參照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191－2008)和《機(jī)械工廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JBJ8－97)的有關(guān)規(guī)定，設(shè)計(jì)溫差取框架封閉時(shí)的溫度與運(yùn)行期間可能遇到的最高或最低多年月平均溫度的均勻溫差，計(jì)算氣溫取該地區(qū)歷年最熱月或最冷月的平均溫度。

將收縮當(dāng)量溫差與外界溫度變化產(chǎn)生的溫差進(jìn)行疊加為綜合溫差，然后就可以根據(jù)綜合溫差進(jìn)行溫度內(nèi)力的計(jì)算了。

(3) 電廠主廠房框架綜合溫差的取值

由于電廠主廠房框架的施工周期較長，一般從基礎(chǔ)澆筑開始到結(jié)構(gòu)封頂需要跨年度施工，因此框架從澆筑開始到正常運(yùn)行階段分為兩個(gè)階段：

第一個(gè)階段即施工期間，主要產(chǎn)生收縮應(yīng)力，但是施工期較長時(shí)還有溫差應(yīng)力，此時(shí)結(jié)構(gòu)中只有自重荷載，如下圖中的第一年的7月到來年的7月之間的部分。此時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)基本上是露天布置在室外，與室外大氣直接接觸，所以外部溫差比較大，收縮應(yīng)力完成了大部分收縮。

圖5 綜合溫差

第二階段是結(jié)構(gòu)投運(yùn)后的階段，在圖中表達(dá)為第二年7月之后的部分，此時(shí)結(jié)構(gòu)上的荷載已經(jīng)施加完畢，此時(shí)混凝土收縮已經(jīng)完成大部分，因此收縮應(yīng)力所占的比重比較小，而溫度應(yīng)力主要是由投運(yùn)后的季節(jié)溫差控制的。但是此時(shí)結(jié)構(gòu)外圍護(hù)和采暖設(shè)施也已投運(yùn)，投運(yùn)后的溫差已經(jīng)有較大幅度的衰減。因此綜合溫差取值為全部收縮當(dāng)量溫差加上室外氣溫的最熱月月平均氣溫與采暖設(shè)計(jì)最低要求溫度的差值。

4 實(shí)際工程溫度內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

某2×1000MW工程的主廠房框架結(jié)構(gòu)，單元計(jì)算長度為90m。歷年最高月(7月)平均氣溫25.1℃，歷年最低月(1月)平均氣溫(-14.5℃)。按照最不利的工況考慮，假定框架在當(dāng)年7月份開始施工，來年7月圍護(hù)工程竣工并且采暖設(shè)施開始運(yùn)行。

計(jì)算軟件采用SAP200，計(jì)算溫度內(nèi)力時(shí)對框架梁柱構(gòu)件按照前述的方法進(jìn)行相應(yīng)的剛度折減。

季節(jié)溫差＝25.1＋14.5=40℃，施工期間混凝土收縮當(dāng)量溫差15℃。

因此第一階段的綜合溫差為55℃。

第二階段綜合溫差為25-5+15=35℃

(1) 第一階段抗裂(施工期)：通過前面的計(jì)算方法，框架結(jié)構(gòu)在55℃綜合溫差下的梁軸力為820kN，而實(shí)際全截面通長配筋率為1.3%，此時(shí)由于沒有安裝設(shè)備，縱向框架梁僅承擔(dān)自重，因此可按軸拉構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)裂縫寬度為0.1mm，滿足抗裂要求。

5 結(jié)論

(1) 大型發(fā)電廠主廠房的長度通常會(huì)可能會(huì)超出規(guī)范的限制，對其溫度效應(yīng)進(jìn)行分析，經(jīng)過充分的計(jì)算論證，采取相應(yīng)的措施，才能保證結(jié)構(gòu)的安全性能。

(2)彈性溫度內(nèi)力得出的結(jié)果沒有反應(yīng)混凝土材料本身的特點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果偏大，不能直接用于設(shè)計(jì)。

(3)計(jì)算溫度內(nèi)力時(shí)，可采用考慮剛度折減的彈性計(jì)算方法，以考慮混凝土開裂和徐變對溫度內(nèi)力的影響。

(2) 第二階段抗裂(投運(yùn)期)：框架結(jié)構(gòu)在35℃綜合溫差下的梁軸力為550kN，此時(shí)設(shè)備已經(jīng)安裝完成，荷載已經(jīng)全部施加，因此將溫度產(chǎn)生的軸力與其他荷載進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)組合，再按拉彎構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算，得出裂縫寬度為0.4mm，超出規(guī)范限值，因此需增加溫度鋼筋，因此支座需考慮對結(jié)構(gòu)底層梁增加貫通的上部鋼筋。當(dāng)上部貫通鋼筋面積增加到3600mm2(單根縱梁)，可以滿足0.29mm的裂縫要求。

此結(jié)構(gòu)雖然為百萬機(jī)組，結(jié)構(gòu)長度已超過《土規(guī)》75m的限制，但是考慮溫度內(nèi)力進(jìn)行抗裂驗(yàn)算后，只需將底層框架梁的支座截?cái)嘭?fù)筋適當(dāng)增加并貫通處理后，即可滿足抗裂要求。

[1]GB 50010－2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2]DL 5022－93，火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S]．

[3]王鐵夢．工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002．