钢支撑－混凝土框架结构在大型火电厂应用探讨

齐秋平，刘天英

（东北电力设计院，长春 130021）

按照工艺布置，部分大型火力发电厂主厂房布置为汽机房加煤仓间，即除氧器布置于汽机房内的三列柱布置型式，其有效缩短了汽机房A 列柱与烟囱之间距离。这样布置有节约占地、减少主厂房工程量、缩短建设工期等优点。此种布置方案对主厂房结构选型提出新的问题，在GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》中规定“甲、乙类建筑以及高度大于24m 的丙类建筑，不应采用单跨框架结构；高度不大于24m 的丙类建筑不宜采用单跨框架结构”。对于结构设计，首先满足工艺布置，同时也应遵守国家规范。本文结合某1 000 MW 级机组主厂房及GB 50011—2010中附录G 钢支撑－混凝土框架和钢筋混凝土核心筒结构房屋抗震设计要求，对钢支撑－混凝土框架结构在主厂房应用进行探讨。

1 某1 000MW 机组主厂房结构

某电厂场地土类型为中软场地土，建筑场地类别属Ⅱ类；场地地震基本烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.2g（g为重力加速度），基本风压0.80 kN／m2。1 000 MW 机组主厂房结构采用三列柱布置型式，主厂房区布置顺序依次为汽机房、煤仓间、锅炉房／给水除氧模块、除尘器、引风机、烟囱。汽机房跨度30.0m，柱距一般为10.0m，个别为9.0m。两机组之间设置一检修场地，中间设置一道1.2 m伸缩缝。运转层标高17.0 m，吊车轨顶标高30.7 m，屋架下弦标高33.9m，汽机房总长为180.2m。煤仓间跨度12.5m，长为2×70.0m，炉前通道跨度8m。主厂房区不设除氧间，除氧器放置在两炉之间给水除氧模块区域中。

按照现行国家及电力行业规范、规程、标准，对于600 MW 级及以上机组发电厂的主厂房，因工艺布置和厂址的不同，现已运行发电及正在建设中的主厂房结构采用钢结构与现浇钢筋混凝土结构的均有。

主厂房采用三列柱布置。这种布置方式对于采用钢筋混凝土结构的主厂房，其横向抗侧力体系是由汽机房外侧柱、汽机房屋盖系统、（除氧）煤仓框架组成的框排架结构，其纵向抗侧力体系采用框架或框架－钢支撑结构，并根据设防烈度采用抗震措施。依据抗震规范8度抗震设防烈度区，采用现浇钢筋混凝土框架结构最大高度40 m，框架－抗震墙结构最大高度为100m。此工程厂房最大高度约55m，层高错落，汽机房与煤仓间存在近20m 高差，纯钢筋混凝土框架结构是不可行的。对于采用钢筋混凝土框架抗震墙结构或者设有抗震支撑框架结构，抗震墙和抗震支撑集中布置在每一柱列伸缩区段的中部，使结构的刚度中心接近质量中心，并在框架柱列上对称布置，在高度方向沿全高设置，避免刚度突变。但是在工程中由于受工艺设备及管道布置的限制，横向剪力墙布置往往很难做到，这势必引起结构的抗震性能降低。

2 钢筋混凝土框架－抗震支撑体系

按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》、JGJ 3—2002／J 186—2002《高层建筑混凝土结构技术规程》、DL 5022—93《火力发电厂土建结构设计技术规定》、GB 50260—96《电力设施抗震设计规范》、GB 50010—2002《混凝土结构设计规范》、GB 50017—2003《钢结构设计规范》等相关规范、规程要求，对1 000 MW 机组主厂房结构抗震支撑体系详述如下。

此主厂房为电厂中的重要电力设施，为乙类建筑，地震作用按8度抗震设防烈度执行，抗震措施按9度设防烈度执行。

主厂房的结构型式采用钢筋混凝土－钢混合结构：即现浇钢筋混凝土框架－抗震支撑协同体系。

主厂房结构框架－抗震支撑体系，就是要达到具有足够的承载力、刚度，耗能能力的完整抗侧力和竖向力体系，以便在规定的地震作用效应和变形界限内，抗御相应的地震作用。

主厂房结构构件的设置应配合工艺运行要求，主厂房结构纵向在满足工艺使用前提下，借鉴钢结构布置经验，抗震墙的布置没有问题。而横向剪力墙的布置，主厂房为汽机房加煤仓间，横向剪力墙只能布置于煤仓间，而剪力墙除了端部外的任何位置均不可行，这样致使结构的布置在纵横向上刚度不匹配，横向框架－剪力墙的方案行不通。

建筑设计应符合抗震概念设计，建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。抗震结构体系宜有多道抗震防线；宜有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中；结构在两个主轴方向的动力特性宜接近。由于工艺布置要求，厂房横向抗震墙的设置受到一定的局限，因而确定框架－剪力墙结构满足工艺运行存在一定的困难。但是在钢结构厂房中横向支撑布置的实施，相应的可以运用到混凝土框架结构体系中，同时结构计算软件STAAD－CHINA、PK＆PM系列软件均可实现混凝土－钢混合结构三维模型内力分析，因此提出钢筋混凝土框排架、钢垂直支撑与水平支撑、各层楼面及屋面联合组成的各向稳定的空间结构体系。

3 两种结构经济性比较

钢支撑－混凝土框架结构体积为304 712m3；钢结构体积为294 676 m3。钢支撑－混凝土框架结构取274元／m3，钢结构取390元／m3。两种结构的经济性对比见表1。

表1 两种结构估算综合造价对比

表1中的比较结果是基于相同的工艺布置，按单位体积造价：钢结构与钢支撑－混凝土框架结构综合价差为3 252万元，可见在经济上钢支撑－混凝土框架结构有较大的优势。

4 钢支撑－钢筋混凝土框架结构体系探讨

试验研究结果表明，现浇钢筋混凝土框架结构具有一定的抗震能力，对于高烈度区，虽然平面布置可以通过划分抗震结构单元实现；而竖向布置高度差异大，质量与刚度分度不均匀，这不符合抗震设计概念［1］。按照GB 50011—2010现提出的钢筋混凝土框架－抗震支撑体系，在高烈度区地震作用得到解决，但是对于主厂房这种工业建筑，在实际应用中仍存在着需要进一步落实的细节问题。

a.主厂房结构布置的不规则性，决定了地震作用传递途径不很明确。混凝土框架结构虽然具有侧向刚度、延性，可以抵抗一定的地震作用；对于高烈度的地震作用，变形势必很大。钢支撑的加入，各向抗震刚度解决了，但是混凝土构件与钢构件之间连接节点的细部构造，无论人字撑、交叉撑，支撑杆件的拉压力均通过节点处的混凝土构件承受剪切向下传递，这要求节点核心区具有很强的抗剪能力，GB 50011—2010提出可参考单层厂房柱间支撑节点处理，而主厂房这种特殊结构，空间结构复杂，短柱强梁布置不可避免，如何实现抗剪切破坏，以及节点区域钢筋锚固，采取构造措施，计算参数，仍需要大量的基础工作。

b.借鉴美国抗震设计规范（AISC341－10Seismic Provisions for Structural Steel Buildings），有钢结构框架－混凝土抗震墙结构型式，以及相应的一些构造措施，而现提到的混凝土框架－钢支撑结构型式，理论上确实可行。具体落实到实际工作中，首先确定主体结构的抗震等级，钢支撑框架部分规范附录G规定丙类建筑可按钢结构及混凝土框架结构提高一个等级；钢筋混凝土框架部分仍按框架结构确定抗震等级。大型火电厂主厂房建筑为乙类建筑，钢支撑抗震等级是否需要再提高。其次，“底层的钢支撑框架按刚度分配的地震倾覆力矩应大于结构总倾覆力矩的50%”，抗侧力计算按承担地震倾覆力矩比例分配来实现。那么在抗震等级基础上，混凝土构件的节点区域抗震等级是否需要提高，规范没有明确规定，因其延性毕竟不同于钢构件。

c.汽机房跨度大于24 m，按照GB 50011—2010应做竖向地震作用计算，而除氧煤仓间部分按照8度区地震竖向作用，钢屋架与混凝土屋架竖向地震作用系数不同。对于竖向地震作用如何协调，是否通过抗震缝实现，结构型式的经济性势必受到影响。

d.竖向楼层缩进使刚度减弱层反应增大，同时柱受双向弯曲作用而成为结构的薄弱环节。在高抗震设防区，纵横两方向地震作用的共同作用，以及质量中心与刚度中心的不重合引起的空间反映破坏，仍需一定的研究试验工作。

5 结论与建议

设防烈度超过7（地震加速度值为0.15g）、8度区，主厂房结构型式可优先采用钢支撑－混凝土框架结构，与钢结构比较具有一定的经济优势。

借鉴文献［1］以及高强度混凝土（C60及以上混凝土）和高强钢（HRB400钢筋）的发展研究及在工程实践中的应用，加上抗侧力体系在结构中采用，主厂房采用钢支撑－混凝土框架结构，技术上是可行的。只是有些问题目前国家标准、规范，行业规程的规定要求不是很明确，在结构计算体系的协同、混凝土－钢构件连接节点的处理、混凝土结构自身在强烈度下的构造措施处理等等，虽然GB 50011—2010做了一些规定，可是针对火力发电厂主厂房这种竖向及水平向刚度不规则的特种工业建筑，有些细节问题还待进一步探讨。

［1］电力规划设计总院、西北电力设计院研究课题组.大型火力电厂钢筋混凝土主厂房框排架然结构抗震性能试验研究［R］.北京、西安：电力规划设计总院、西北电力设计院研究，2005年.