肖元清（四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川　成都　610041）

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分析火力發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)抗震性能

肖元清（四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川成都610041）

鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)是我國(guó)火電廠主廠房常用的結(jié)構(gòu)形式，由于其質(zhì)量和剛度分布不均勻，為了保證電廠安全運(yùn)行，對(duì)火電廠主廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性地震響應(yīng)分析顯得尤為重要。以某實(shí)際工程為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)框架在幾種不同設(shè)計(jì)烈度情況下的計(jì)算分析，對(duì)執(zhí)行《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（以下簡(jiǎn)稱《土規(guī)》）中規(guī)定的8度地震情況下主廠房縱向結(jié)構(gòu)采用框架加抗震支撐或抗震墻的抗震措施的條文進(jìn)行了分析，提出：對(duì)小型火力發(fā)電廠，結(jié)合工程的具體情況和特點(diǎn)，采用縱向框架自身抗震體系方案是比較合適的。本文對(duì)小型火力發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)的抗震性能提供一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，供設(shè)計(jì)者參考。

火力發(fā)電廠；廠房結(jié)構(gòu)；抗震性能評(píng)價(jià)

引言

目前火力發(fā)電廠主廠房的抗震設(shè)計(jì)已成為主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。由于地震是一種比較復(fù)雜的力學(xué)現(xiàn)象，到目前為止，我們對(duì)建（構(gòu)）筑物的地震破壞機(jī)理還不十分清楚；對(duì)許多地震破壞現(xiàn)象還只停留在感性認(rèn)識(shí)階段；對(duì)所有地震荷載的計(jì)算和建（構(gòu)）筑物抗震計(jì)算原理，都只能認(rèn)為是一種近似方法。目前一些規(guī)范及有關(guān)資料雖然提出了一些抗震設(shè)計(jì)的基本原則和對(duì)建（構(gòu)）筑物的抗震措施，但仍是以大量的宏觀調(diào)查和對(duì)各類建（構(gòu)）筑物震害分析的結(jié)果為基礎(chǔ)的。對(duì)于火力發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，《土規(guī)》中作了一些明確的具體的規(guī)定，要求設(shè)計(jì)人員嚴(yán)格執(zhí)行。然而這些規(guī)定尚需隨著人們對(duì)廠房抗震性能問(wèn)題的探入認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)實(shí)踐，不斷地修改完善，才能達(dá)到使設(shè)計(jì)技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的效果。

1　對(duì)火力發(fā)電廠縱向結(jié)構(gòu)抗展措施選擇問(wèn)題的分析

設(shè)計(jì)烈度進(jìn)入8度后，對(duì)于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、構(gòu)造都有了一些不同于7度設(shè)計(jì)烈度的特殊要求。不僅在荷載計(jì)算上水平地震力增大了，對(duì)于懸壁結(jié)構(gòu)、高柔結(jié)構(gòu)等還要考慮垂直地震荷載的作用。而且《土規(guī)》中規(guī)定，對(duì)于設(shè)計(jì)烈度為8度的主廠房的縱向結(jié)構(gòu)，可采用鋼筋混凝土框架加抗震支撐的縱向結(jié)構(gòu)抗震措施方案。然而對(duì)于執(zhí)行這一規(guī)定，根據(jù)已完成的主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為，對(duì)于小機(jī)組的火力發(fā)電廠，特別是廠房柱距較少的擴(kuò)建主廠房結(jié)構(gòu)，采用縱向框架自身抗震措施的方案是比較合適的。

下面以某發(fā)電廠二期供熱工程主廠房設(shè)計(jì)加以討論：

本工程是在某發(fā)電廠一期供熱工程的基礎(chǔ)上擴(kuò)建的，本期安裝一臺(tái)6千kW抽氣背壓式機(jī)組和一臺(tái)65t/h鍋爐，主廠房平面柱網(wǎng)布置見(jiàn)圖1。根據(jù)《土規(guī)》的規(guī)定，該主廠房各縱向柱列均采用了框架加抗震支撐的縱向結(jié)構(gòu)抗震措施。并根據(jù)抗震支撐應(yīng)布置在使結(jié)構(gòu)的剛度中心接近于質(zhì)量中心的原則和綜合工藝專業(yè)的要求等，將抗震支撐均布置在縱向結(jié)構(gòu)的端部柱間內(nèi)。

圖1　主廠房平面柱網(wǎng)布置圖

由于本工程主廠房縱向柱子少，這樣在縱向柱列兩端加上抗震支撐后，雖然滿足了《土規(guī)》的要求，但卻產(chǎn)生了一些不利的因素：

（1）工藝上管道及設(shè)備的布置受限制，即管道從支撐位置處穿過(guò)時(shí)，需考慮管道與支撐相碰的問(wèn)題。

（2）對(duì)建筑物的造型設(shè)計(jì)有一定的影響。

（3）建筑物的功能使用上受到影響。如除氧間和煤倉(cāng)間運(yùn)轉(zhuǎn)層的廠房橫向通道的布置受到很大的艱制，因兩端不能設(shè)門洞口，只能在中部柱間設(shè)置，使通道的布置不靈活，運(yùn)行不方便。

（4）根據(jù)抗震的受力特點(diǎn)，支撐所受的地震力應(yīng)保證直接傳給基礎(chǔ)。因此須在零米以下至柱基礎(chǔ)底面或頂面設(shè)計(jì)成板式的壓桿。這樣就給工藝地下溝、管道的布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的困難。因?yàn)閺S房縱向柱子間隔少，使廠房?jī)?nèi)溝、管道的走向和標(biāo)高受到很大艱制，有的溝道，如排水溝又必須在支撐下面通過(guò)，這樣對(duì)結(jié)構(gòu)的處理是非常復(fù)雜和麻煩的。

對(duì)于上述的一些問(wèn)題，雖然在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中采取了一些相應(yīng)的技術(shù)措施把它們解決了，但卻不夠合理。這就向我們提出了一個(gè)很實(shí)際的問(wèn)題，即對(duì)于這類小型火力發(fā)電廠的縱向結(jié)構(gòu)是否可優(yōu)先選擇縱向框架自身抗震措施而不加設(shè)抗震支撐或抗震墻呢？筆者以某發(fā)電廠二期供熱工程主廠房1/D軸框架為例（荷載較大的框架），對(duì)不同地震設(shè)計(jì)烈度的情況（即無(wú)地震、7度地震、8度地震、9度地震四種情況）進(jìn)行了計(jì)算分析?？蚣苡?jì)算從略。

現(xiàn)取計(jì)算結(jié)果中的典型節(jié)點(diǎn)（26號(hào)節(jié)點(diǎn)）和柱（38號(hào)柱）內(nèi)力進(jìn)行分析，見(jiàn)表1～2。

表1　26號(hào)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)位移分析表

由表1～2看出：

（1）位移。7度、8度時(shí)結(jié)構(gòu)總位移和相對(duì)位移均滿足允許值的要求，而進(jìn)入9度后，相對(duì)位移增大到1/156，超過(guò)允認(rèn)值1/300，此時(shí)結(jié)構(gòu)位移太大，已不安全。結(jié)構(gòu)層間相對(duì)位移均滿足要求；

（2）柱內(nèi)力及配筋。從38號(hào)柱的計(jì)算結(jié)果看，7度、8度兩種情況下柱子的內(nèi)力不同，但柱端的最大配筋量相同，未出現(xiàn)8度時(shí)的配筋大于7度時(shí)配筋的情況。再看非地震情況的計(jì)算結(jié)果，在非地震情況下與7度、8度地震情況算得的配筋量均相同，這說(shuō)明柱子的配筋不受地震荷載控制。之后我們?cè)倏?度地震的情況，此時(shí)柱的內(nèi)力值增大很多，配筋量急劇增加，38號(hào)柱已處于地震力控制下。

總之，從計(jì)算結(jié)果及分析看出，9度地震以上，在地震力的作用下結(jié)構(gòu)已不安全了，而8度地震以下均能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定的要求。

2　結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析

在SAP2000中計(jì)算得到的鋼筋混凝土主廠房結(jié)構(gòu)的振型質(zhì)量參與系數(shù)見(jiàn)表3，由表3可知：

表3　鋼筋混凝土主廠房的振型質(zhì)量參與系數(shù)

（1）第1階振型為橫向平動(dòng)，其橫向質(zhì)量參與系數(shù)為82%；

（2）第2階振型為縱向平動(dòng)，其縱向質(zhì)量參與系數(shù)為68%，存在一定程度的繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；

（3）第3階振型為繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，縱橫向的質(zhì)量參與系數(shù)很小，這不代表該振型對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的貢獻(xiàn)也很小，相反，扭轉(zhuǎn)振型將給結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)帶來(lái)很不利的影響。

3　罕遇地震下結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析

3.1材料

（1）鋼筋：采用Clough三線性模型如圖2所示。考慮包辛格效應(yīng)，在循環(huán)過(guò)程中考慮了剛度退化，以此來(lái)模擬鋼筋與混凝土的聯(lián)結(jié)滑移效果。

圖2　鋼筋的clough三線性模型

（2）混凝土：采用混凝土單軸本構(gòu)模型與美國(guó)太平洋地震工程中心開(kāi)發(fā)的OPENSEES中的concrete02模型相同，其受壓骨架線如圖3所示。

圖3　混凝土骨架曲線

3.2構(gòu)件損傷

（1）構(gòu)件損傷程度不高，沒(méi)有構(gòu)件損傷達(dá)到較嚴(yán)重破壞階段，結(jié)構(gòu)構(gòu)件全部滿足極限承載力要求；

（2）柱出現(xiàn)損傷的部位主要集中在底層、煤斗層和錯(cuò)層處，其他部位框架柱基本保持彈性。A列底部支撐壓屈，但對(duì)于對(duì)角支撐，即便一個(gè)支撐壓屈，仍有另外一個(gè)提供拉力，能夠?yàn)榭蚣芴峁┲巫饔?。除非支撐受拉也進(jìn)入塑性階段支撐才進(jìn)入失效狀態(tài)，該結(jié)構(gòu)中支撐仍能發(fā)揮作用；

（3）按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，該結(jié)構(gòu)在7度半罕遇地震作用下的抗震性能可以達(dá)到第4水準(zhǔn)，相應(yīng)于性能目標(biāo)3，整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力未明顯下降。

采用ABAQUS計(jì)算了火力發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并對(duì)結(jié)構(gòu)的主要抗震性能進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)，由于國(guó)內(nèi)鋼筋混凝土主廠房結(jié)構(gòu)的相似性和結(jié)構(gòu)模型的典型性，分析得到的結(jié)論對(duì)于國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的火電廠主廠房也具有一定的適用性。根據(jù)分析結(jié)果可以知道：

（1）由于火電廠主廠房?jī)?nèi)部多錯(cuò)層，結(jié)構(gòu)局部樓層在地震作用下層間位移角有所突變，形成薄弱層，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起重視，加強(qiáng)薄弱部位的抗震措施；

（2）構(gòu)件損傷較嚴(yán)重的部位主要集中在底層、煤斗層和錯(cuò)層處，但損傷程度最大為中度損傷，均未超過(guò)構(gòu)件的最大承載力，在7度半罕遇地震作用下，大型火電廠主廠房結(jié)構(gòu)的整體抗震性能和各類構(gòu)件的抗震性能均滿足設(shè)計(jì)要求，能夠滿足規(guī)范“大震不倒”的要求。

4　結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)典型實(shí)例計(jì)算分析，可以看出，對(duì)于地震區(qū)小型火力發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)，當(dāng)荷載相對(duì)較小，廠房的高度不太大時(shí)，如果廠房縱向框架結(jié)構(gòu)計(jì)算屬于非地震力控制，或雖受地震力控制，但結(jié)構(gòu)的地震力計(jì)算又能滿足要求的情況，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚徊捎每蚣芗涌拐鹬位蚩拐饓Φ姆桨?，而?yōu)先采用框架自身抗震的方案是比較合適的。這樣即可避免由于抗震支撐或抗震墻給工藝和建筑結(jié)構(gòu)上帶來(lái)的不利因素，使我們電廠各專業(yè)的整體設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。

［1］宋遠(yuǎn)齊，汪小剛，溫彥鋒，等.大型火電廠主廠房框排架結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程反應(yīng)分析［J］.工業(yè)建筑，2015，40（1）：51～54.

［2］吳 濤，劉伯權(quán).大型火力發(fā)電廠鋼筋混凝土框排架主廠房平扭耦聯(lián)地震反應(yīng)分析［J］.工業(yè)建筑，2014，34（11）：26～29.

［3］黃忠海，廖 耘，李盛勇，等.廣州珠江新城東塔罕遇地震作用彈塑性分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2012，33（11）：82～90.

肖元清（1980-），男，漢族，工程師，碩士研究生，主要從事電力行業(yè)設(shè)計(jì)、咨詢工作。

TU352.1+1

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2095-2066（2016）13-0012-02

2016-4-10