使用PKPM软件进行火电厂主厂房框架计算的一点认识

张钰芝

（新疆电力设计院 新疆 乌鲁木齐 830002）

0 引言

主厂房是火力发电厂的核心，目前，火电机组结构型式仍较多采用A排柱铰结于除氧煤仓间框架上的钢筋混凝土框排架结构。本文根据以往工程及笔者的经验，以及国电库车发电有限公司二期（2×330MW）扩建工程机组为例总结一些在使用PKPM软件进行主厂房框架计算的特点，并总结出使用使用时应注意的的一些经验。

1 概述

库二工程主厂房采用除氧煤仓间双框架结构，横向汽机房跨度27m，除氧间跨度8m,煤仓间跨度11.5m。汽机房纵向15跨，除氧、煤仓间15跨，跨距9m。#1、#2机双柱间设抗震缝。框架顶高40.900，局部（两炉间集控楼内伸部分）高度相应调整。框架和炉架、集控楼间用铰结平台连接,故计算时仅考虑垂直荷载传递。整个厂区部分设计参数如下：安全等级一级 （《火力发电厂土建结构设计技术规定 （DL 5022-93）》4.1.2条）；中硬场地土，II类场地；基本设防烈度8度，基本风压0.64kN/m2。计算程序采用PKPM软件（2010年版）。以下按程序的数据输入和计算结果分析两部分详述。

2 数据输入

（1）荷载输入

A.恒载计算时有两个方法：

a.可按楼面及屋面的建筑做法详细清荷；

b.可只算建筑面层，楼板及屋面板结构自重由程序自动计算。

B.楼面及屋面均布活载按《土规》表2.2.2中计算主框排架项选用，考虑活载的后三项系数不同，可将活载分为如下七组：

*按《土规》表 2.2.2中计算主框排架项选用活载，活载＞4kN/m2取 1.3，活载＜4kN/m2取 1.4。

汽机大平台检修荷载区是设备检修临时堆放场所，具体位置及荷载大小应由工艺专业提供，在本工程中需注意的是：部分A、B排汽机房悬臂平台也在检修区内。

本工程计算时考虑了如下两项施工荷载：（1）除氧器水箱吊装时在2、16轴除氧间大梁上的临时荷载52t，此时恒载仅考虑结构层自重。（2）发电机定子吊装时吊车轮压的变化，由于吊装时定子居汽机房中，所以实际情况吊车轮压反而比最大轮压小，计算简图详见吊车荷载部分图1。以上两项在计算时各构件结构安全等级降低一级，结构重要性系数取为1.0。

吊车荷载以国电库车发电有限公司二期 （2x330MW）扩建工程为例：汽机房设两台轻级80/20t吊车,每台8个轮（轮距及车距见计算简图），各基本参数如下：

吊车总自重 G=80.8t 小车自重 g=23.964t

最大轮压 Pmax=33.8t 最大起重量 Q=100t

最小轮压（Pmin）由 4*（Dmin+Dmax）=（G+Q） 求得，为11.4t。

按《土规》规定对两台吊车荷载采用：

纵向框架计算简图不再详示，其计算公式如下：

需注意的是n为所有刹车轮的和（本工程取为2，每侧一个），ZL均分于A、B排纵向框架上。

图1

以最大轮压为例：

图2

在进行横向框架荷载计算时纵向梁可按简支梁考虑（不考虑平面外弯矩），反之亦然。

（2）计算长度系数和地震参数输入

框、排架柱的计算长度详见《土规》3.1各项。须注意的是B轴有几榀框架柱在21m层上仅通过网架和A排柱连接，而和C排柱无任何框架梁连接，此时21m层以上B排柱应按排架柱取计算长度。

地震设计的设防准则可归结为三点：①小震不坏；②中震可修；③大震不倒。其对应的烈度水准分别为：多遇烈度，基本烈度和罕遇烈度。对①通过结构弹性地震的强度验算来满足，对②通过抗震的构造措施来满足，对③通过结构薄弱层的弹塑性变形验算来满足。地震计算的各参数输入，都是基于以上三条的。

和①、③相关的参数有：特征周期Tg,结构自振周期T，水平地震影响系数αmax（①、③取值不同）。Tg是由场地类别和近、远震决定的；T由程序计算得到，涉及到为考虑填充墙的周期折减系数，《土规》规定可不考虑非抗震墙体的刚度（9.4.2.1 条），考虑到填充墙的数量较多，偏安全的取为 0.8；αmax相应于验算内容和基本设防烈度取用如下：

基本设防烈度验算内容6 7 8（库二） 9①小震不坏 0.04 0.08 0.16 0.32②中震可修（基本不用，通过构造满足） 0.12 0.23 0.45 0.90③大震不倒 0.25 0.50 0.90 1.40

对中震可修主要相关参数为抗震等级。框架的抗震等级应按设防烈度和框架高度决定。须注意的是重要电厂的主厂房框架设防烈度应在基本设防烈度的基准下，按 《土规》表9.1.4作调整，取用调整后的设防烈度来决定抗震等级，这就是提高一度设防，对应于构造抗震等级。但当进行强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱构件等相关于 《建筑抗震设计规范（GBJ11-89）》6.2节所涉及的内容时，基本设防烈度不再调整，此时所对应的抗震等级为计算用抗震等级。以库二工程4轴框架（高40.25m）为例，抗震等级决定方式如下：

综上，程序所需基本地震参数为：

基本设防烈度 （8） 场地类型 （II）

近、远震 （远） 计算抗震等级（一级）

构造抗震等级 （一级）.考虑填充墙自振周期折减系数（0.8）

（3）数据输出

a.柱脚荷载及框架柱配筋特点。

准确的柱脚荷载是进行地基处理和基础设计的必要条件，根据对计算结果数据文件的分析，每榀框架可取代表性的三组荷载。以5轴C排柱柱脚为例，所取组合如下：

其中①、②用于计算承载力，③用于计算地基变形。①在所有情况下都为静力荷载组合，在提出柱脚荷载时，必须提出②是否是地震作用，以便将地基或单桩承载力乘以相应的系数（《建筑地基基础设计规范》（GBJ 7-89）3.2.2 条及《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-94）5.2.1.2 条），在库二工程基本烈度为8度的情况下，②都为地震组合，由于此时单桩承载力乘以1.25，因此桩数基本由①决定。现提出几榀框架在①情况下的柱脚荷载（kN），以资参考：

注：除氧器连水520t/每个，煤斗连煤600t/每个。

轴压比是防止柱脆性破坏，保证柱有一定延性能力的重要参数。 根据《混凝土结构设计规范（GB50010-2010）》8.4.8条规定，所取N应为考虑地震组合的最大值Nmax,根据计算结果①对应的N比上述Nmax大的不多，偏安全可取①项的荷载组合。

b.地震周期及层间位移

库二工程框架自振周期（仅取第一振型）计算结果举例如下：3 轴（高 49.8m）T1=1.83s；4 轴（高 42.5m）T1=1.53s；5 轴（高 42.5m）T1=1.48s；B 排柱（高 34.6m）T1=2.04s；C 排柱（1～3高 49.8m,其余高 42.5m）T1=1.76s。 根据以往工程经验，纵向框架自振周期大约2s左右较为合适，以上B、C排柱的自振周期说明了本工程纵向采用纯框架抗震是完全可行的。

抗震变形验算包括小震下的弹性层间变形验算和大震下薄弱层变形验算。对于后者，本工程框架满足不需进行计算的条件（抗震规范4.5.2条）。对于前者，以5轴煤仓间各层为例，位移曲线（第一振型）曲线如左。由图可见主振型为典型的剪切曲线，弹性层间相对变形远远小于规范所要求的1/450。

另外，根据计算结果，第二、第三振型的位移量远小于第一振型，因为总位移量为三者平方和相加开根，所以计算中可不考虑第二、第三振型的位移量。

3 调整计算结果

目前为止，国内结构设计人员应用PKPM软件进行结构设计已经非常普遍，尽管使用PKPM软件可免去大量人工计算，加快出图速度，但笔者通过多项多层框架工程的设计后发现，多层框架的电算结果仍需进行人工调整，有些梁、柱的最后配筋要凭设计人员的经验而定。这种不确定性造成有的设计调整放大过于保守，有的不调整时又严重不足。为此，下面就框架电算结果的人工调整问题进行探讨，并且提出建议，供大家在以后的工作和学习中参考。

（1）框架梁、柱截面尺寸的选择

设计人员首先根据 《火力发电厂土建技术规范》中表3.1.3《主厂房框排架的梁柱截面尺寸》中建议的梁、柱截面尺寸的取值范围，结合以往工程及自己的经验先对所有构件的大小初步确定一个尺寸。此时须注意尽可能使柱的线刚度与梁的线刚度的比值大于1。这是为了实现在罕遇地震作用下，让梁端形成塑性铰时，柱端仍可处于非弹性工作状态而没有屈服，但节点还处于弹性工作阶段的目的。即“强柱弱梁强节点”。将初步确定的尺寸输入计算机进行试算，一般可得到下述三种结果：（1）部分梁柱仅为构造配筋。此时可根据电算显示的梁的裂缝宽度和柱的轴压比大小适当减小梁、柱的截面尺寸再试算；（2）部分梁显示超筋或裂缝宽度＞0.3mm，部分柱的轴压比超限或配筋过大（试算时可控制柱的配筋率不大于3%）。此时可适当放大这部分梁、柱的截面尺寸再试算；（3）梁、柱的截面尺寸均合适，勿需调整，此时要进一步观察梁、柱的配筋率是否合适。

（2）梁、柱的适宜配筋率

原则：掌握配筋率“适中”为宜。这个“适中”指在规范规定的区域内取中间段，其值约相当于定额含钢量。《混凝土结构设计规范》中规定框架梁的纵向受拉钢筋最小配筋率为0.2%，最大配筋率为2.5%；框架柱的纵向钢筋配筋率区间为0.6%～5%。

根据以往工程及自己的经验，笔者认为对于框架梁，其纵向受拉钢筋的配筋率取0.4%～1.5%较适宜。对于框架柱，其全部纵向受力钢筋的配筋率取1%～3%较适宜。梁、柱配筋率的上限在试算在试算阶段宜留有一定余地，因为下一部梁、柱配筋的调整还需要一定空间。

（3）框架梁配筋的调整

框架梁显示的配筋是梁按强度计算的配筋量，调整的目的是解决梁的裂缝宽度超限和“强剪弱弯”的问题。

①缝宽度超限问题

在配筋率一定时，选用小直径的钢筋可以增加混凝土的握裹面积、减少梁的裂缝宽度。增大配筋率是减小梁裂缝宽度的直接方法。提高混凝土的强度等级，亦可减小梁的裂缝宽度，但影响较小。设计人如不注意框架梁的裂缝宽度是否超限即出施工图，这样的图纸存在有不符合规范的缺陷。在施工结束后的长期时间范围内，也存在很大的安全隐患。仔细检查梁的裂缝宽度，如果改用小直径的钢筋后梁的裂缝宽度仍然超限，就要增加梁的配筋或加大梁的截面尺寸，调整至满足规范要求。

②强剪弱弯问题

框架结构设计中，应力求做到在地震作用下框架梁的梁端斜截面受剪承载力应高于正截面受弯承载力，即“强剪弱弯”。

根据以往工程及自己的经验，笔者认为具体在调整梁的配筋时，可做以下几项调整：

a.梁端负弯矩钢筋可不放大（系数采用1）；

b.梁的跨中受拉钢筋可放大 1.1～1.3 倍；

c.梁端箍筋的直径可增加2mm；

d.按构造要求对于跨度大于6m的框架梁设弯起钢筋。

（4）框架柱配筋的调整

框架柱的配筋率一般都很低，电算结果往往是构造配筋即可。按柱的构造配筋率0.8%配筋，只相当于定额指标的1/2～1/3，有经验的设计人一般是不会采用的。因为受地震作用的框架柱，尤其是角柱和大开间、大进深的边柱，一般均处于双向偏心受压状态，而电算程序则是按两个方向分别为单向偏心受压的平面框架计算配筋，结果往往导致配筋不足。

根据以往工程及自己的经验，笔者认为框架柱配筋的调整可做以下几项：

a.应选择最不利的方向进行框架计算，也可两个方向均进行计算后比较各柱的配筋，取其教大值，并采用对称配筋。

b.调整柱单边钢筋的最小根数：柱宽＜=450mm时3根，450＜柱宽＜=750mm时4根，750mm＜柱＜=900mm时 5根。（注意：柱单边配筋率不小于0.2%）

c.将框架柱的配筋放大 1.2～1.6 倍。 其中角柱放大大些（不小于 1.4 倍），边柱次之，中柱放小些（1.2 倍）

d.由于多层框架时电算常不考虑温度应力和基础不均匀沉降问题，当多层框架水平尺寸和垂直尺寸较大以及地基软弱土层较厚或地基土层不均匀时，再适当放大一点框架柱的配筋也是可以理解的，具体放大多少，就要由设计人的经验决定了。

e.框架柱的箍筋形式应选菱形或井字形，以增强箍筋对混凝土的约束。柱箍筋直径宜增加2mm。

4 结语

以上是笔者在近几年火力发电厂土建专业设计了多个火电厂工程主厂房框架后的一点体会，主厂房框架计算时各系数较多，本文的分析希望对以后的计算和设计有所帮助。希望本文的分析对同行以后的工作、计算、设计及学习有所帮助。

［1］电力工业部西北电力设计院.火力发电厂土建技术规定[Z].

［2］中华人民共和国建设部，主编.混凝土结构设计规范[S].

［3］中国建筑科学研究院.PKPM工程设计软件[M].

［4］朱伯龙，张琨联，主编.建筑结构抗震设计原理[M].同济大学出版社.