发电厂主厂房建筑的土建结构设计探讨

陆启荣 张海星

摘要：随着高强度钢筋和混凝土的研制，高效预应力混凝土结构在工程中的应用范围也有所扩大。主厂房布置形式的改变必将冲击土建结构设计，本文对主厂房布置形式的改变，提出不同地震烈度、场地类别、阻尼比和不同的结构布置形式时的地震反应；阐述了场地条件对主厂房钢结构的地震反应的影响，提出了合理的支撑布置形式；推荐了高烈度区主厂房钢结构的抗震设计时阻尼比的建议取值。

关键词：火电厂 主厂房 土建 结构

中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：

大容量机组火电厂对土建设计和施工技术都有更高、更新、更严的要求。主厂房是电力工程的核心部分，各种重要的设备、管道、电缆和仪表控制系统布置十分复杂和密集，大机组主厂房结构不仅受力复杂、荷重大，而且平面和空间尺寸大、结构自重大。因此，仅仅采用钢筋混凝土一种结构形式已不能适应大机组工艺设备的布置要求。

随着我国建筑钢材产量的增大，基建规模的宏观调控，使钢材价格平稳并呈下降趋势，新品种和高强钢材已逐步得到开发，使大机组主厂房采用全钢结构的可能性增大。主厂房应采用传力路线最短捷的结构形式和体系，充分满足工艺系统和设备布置，适应安全运行、检修和施工安装要求，符合国家技术政策和规范规定，控制工程造价，这是衡量主厂房结构形式和体系合理与否的重要标准。

一、主厂房结构布置

几十年来，火电厂主厂房布置的格局，已形成了较为固定的框排架结构形式，对200 MW及以上的大机组，主厂房横向是以汽机房排架、除氧间和煤仓间双框架结构组成，锅炉架构不论是钢结构还是钢筋混凝土结构都自成独立体系，布置在二台锅炉之间的集控楼，其结构布置也自成独立的框架结构。但是，与国外电厂主厂房布置相比，这种主厂房布置格局的缺点是建筑体积大、建筑空间未能得到充分利用、设备布置不够紧凑、高压管道和电缆较长，此外，集控楼布置在两炉之间，对锅炉施工安装工期影响较大。一些大机组主厂房的集控楼已尽量向汽机房方向延伸布置，并将煤仓间的部分D列柱取消，以减少对锅炉安装的影响。但这种布置对处于高烈度地震区的主厂房结构增加了横向和纵向的刚度不均匀性和扭振，不利于结构抗震。此时，宜在集控楼两侧的主厂房横向框排架上增加结构抗震缝(设双柱，减少扭振现象)，这样使二台机主厂房在纵向要多一个伸缩缝。

对土建结构设计来说，也会出现与传统的二台机组三列式布置完全不同的布置形式。例如，主厂房一部分可由汽机房、除氧间和加热器间组成单跨框排架结构形式；另一部分的煤仓间则可能位于锅炉侧面或尾部，两部分互不联接。原来在两炉之间的集控楼可能会布置在二台汽机之间，且体积会很小。这些主厂房布置格局的新变化，对土建结构的选型和体系都将发生较大的变化。位于锅炉侧面的煤仓间框架采用钢结构比钢筋混凝土更为经济合理。当然，煤仓间框架与锅炉构架连接，共同承受水平荷载的方案，要得到锅炉制造厂的认可，而且在实施过程中是有相当难度的。

1．支撑布置。高烈度区大型发电厂主厂房一般采用钢框架+支撑的抗侧力体系，地震引起的水平荷载主要由支撑结构承担。但是，由于工艺布置的需要，同时也为减少配合的工作量，工艺专业往往要求结构减少布置支撑或严格限制支撑布置于厂房两端。从而导致主厂房支撑布置过于集中，地震作用集中于某几个支座。当支撑沿纵向均匀布置时，虽然主厂房刚度增大，总地震反应增大，地震工况下的最大支座反力却显著减小。因此，采用多柱距均匀布置支撑可有效解决柱脚上拔力过大引起的地脚螺栓和基础设计的困难。而且，由于两柱间支撑截面所占的面积很小，通过精细的配合和三维软件的应用，主厂房纵向支撑采用多柱距均匀布置有可能取得更好的效果。

2．支撑的截面。当结构刚度增加时，结构自振周期减小，结构地震反应增大。钢结构框架+支撑体系中，当支撑布置一定时，减小支撑截面面积可有效减小结构刚度，从而达到减小地震反应的效果。虽然通过减小支撑截面可降低地震反应，但是由于支撑构件的长细比、强度和结构的位移的限制，支撑截面往往只能在合理的范围内变化。对于高烈度区的主厂房钢结构设计，特别是对于支撑构件的设计，并非截面尺寸越大越安全。支撑应力比过低不仅浪费钢材，而且也会使结构地震反应增大。

3.阻尼比。阻尼比是结构的基本动力特性之一，是用来描述结构在振动过程中某种能量耗散的术语，是结构抗震分析中的一个重要因素。从的不同阻尼比时的地震影响系数和不同阻尼比时主厂房地震工况时的支座反力的对比可以看出，阻尼比是主厂房钢结构地震反应的重要影响因素。阻尼比如果由设计者根据经验取值，存在着一定的随意性。因此，有必要对主厂房钢结构阻尼比的取值进行明确。

由于结构振动时的耗能机理十分复杂，人们还不能对结构的阻尼比进行定量的理论分析，而只能对结构的阻尼比进行实测和定性的分析。考虑到发电厂主厂房的结构布置不同于一般比较规则的民用建筑，主厂房钢结构自振周期一般在1.0 s左右，外墙封闭多采用压型钢板封闭，填充墙较少等因素，结合实际与相关规定，作者认为在未进行系统研究前，主厂房特别是高烈度区的主厂房钢结构的阻尼比按GB 50011-2001超过12层的钢结构取较小的0.02较为合适。

二、主厂房结构形式

1. 钢筋混凝土结构。随着泵送混凝土技术和商品混凝土的发展,主厂房采用现浇钢筋混凝土结构已越来越广泛了,但装配式结构在严寒地区或有大型施工机具能力时,仍然会继续采用。不论是现浇还是装配式钢筋混凝土结构,减轻结构自重的重要问题是要着重研究结构优化、计算方法、荷载及荷载组合,在材料方面要采用C80或C100及以上高强度混凝土和340 MPa高强钢材,这样可以有效地解决肥梁胖柱问题。为了改善钢筋混凝土受弯构件的抗拉性能差、延性差的弱点,可采取掺用纤维的办法。如掺钢纤维、掺耐碱玻璃纤维以及掺聚丙烯和尼龙等合成纤维制成的纤维混凝土,在框架结构的节点和楼板的梁中应用,可以大大提高混凝土的抗拉、抗冲击性能。

然而，在相当长的一段时期内,主厂房钢筋混凝土结构形式还不可能完全被钢-混凝土组合结构或钢结构取代,因此在现阶段钢筋混凝土结构仍是首选方案。此外,现场模板作业和耗工多的问题,是影响钢筋混凝土结构经济性的另一重要因素。随着市场经济的发展和劳动力市场的变革,我国劳动工日的价格已日益提高,因此在结构选型和方案比选中,要尽量采用现场作业耗工少的结构方案。

2. 钢-混凝土组合结构。钢-混凝土组合结构是集钢筋混凝土和钢结构两者优点于一身的新结构形式,如外包钢结构、钢管混凝土结构、组合梁结构和劲性钢筋混凝土结构等。由于其还处在起步阶段,尚存在诸如构造复杂、现场作业多、耗工大、技术经济指标不理想、造价偏高等问题,因此在一定程度上影响了组合结构的推广使用。过去在中、小型机组主厂房采用的纯钢筋混凝土结构,在大机组主厂房中已不复存在,如9 m或12 m柱距的纵向框架梁和楼层纵梁已大部分采用钢结构,仅横向框架的柱和横梁采用钢筋混凝土结构,这也是一种钢-混凝土组合结构形式。

组合梁楼层结构已在主厂房的汽机、锅炉平台和集控楼楼层中采用,但在主厂房框架楼层板中还只有少数电厂采用过。在现浇楼层施工中大多采用钢模板,部分采用厚1.0 mm左右的压型钢板作底模,但耗钢量增大,造价高。在跨度大、荷重大的楼层结构中,采用大型H型钢的组合梁楼层是今后发展方向,如果能配合工业化规模生产的GRC板作底模,其综合技术经济指标将会比较先进。