分析火力发电厂主厂房结构抗震性能

肖元清（四川电力设计咨询有限责任公司，四川　成都　610041）



分析火力发电厂主厂房结构抗震性能

肖元清（四川电力设计咨询有限责任公司，四川成都610041）

钢筋混凝土框排架结构是我国火电厂主厂房常用的结构形式，由于其质量和刚度分布不均匀，为了保证电厂安全运行，对火电厂主厂房结构进行弹塑性地震响应分析显得尤为重要。以某实际工程为研究对象，通过对框架在几种不同设计烈度情况下的计算分析，对执行《火力发电厂土建结构设计技术规定》（以下简称《土规》）中规定的8度地震情况下主厂房纵向结构采用框架加抗震支撑或抗震墙的抗震措施的条文进行了分析，提出：对小型火力发电厂，结合工程的具体情况和特点，采用纵向框架自身抗震体系方案是比较合适的。本文对小型火力发电厂主厂房结构的抗震性能提供一些设计经验，供设计者参考。

火力发电厂；厂房结构；抗震性能评价

引言

目前火力发电厂主厂房的抗震设计已成为主厂房结构设计的一项重要内容。由于地震是一种比较复杂的力学现象，到目前为止，我们对建（构）筑物的地震破坏机理还不十分清楚；对许多地震破坏现象还只停留在感性认识阶段；对所有地震荷载的计算和建（构）筑物抗震计算原理，都只能认为是一种近似方法。目前一些规范及有关资料虽然提出了一些抗震设计的基本原则和对建（构）筑物的抗震措施，但仍是以大量的宏观调查和对各类建（构）筑物震害分析的结果为基础的。对于火力发电厂主厂房结构的抗震设计，《土规》中作了一些明确的具体的规定，要求设计人员严格执行。然而这些规定尚需随着人们对厂房抗震性能问题的探入认识和设计实践，不断地修改完善，才能达到使设计技术先进、安全可靠、经济合理的效果。

1　对火力发电厂纵向结构抗展措施选择问题的分析

设计烈度进入8度后，对于结构的设计、构造都有了一些不同于7度设计烈度的特殊要求。不仅在荷载计算上水平地震力增大了，对于悬壁结构、高柔结构等还要考虑垂直地震荷载的作用。而且《土规》中规定，对于设计烈度为8度的主厂房的纵向结构，可采用钢筋混凝土框架加抗震支撑的纵向结构抗震措施方案。然而对于执行这一规定，根据已完成的主厂房结构设计的工程经验，笔者认为，对于小机组的火力发电厂，特别是厂房柱距较少的扩建主厂房结构，采用纵向框架自身抗震措施的方案是比较合适的。

下面以某发电厂二期供热工程主厂房设计加以讨论：

本工程是在某发电厂一期供热工程的基础上扩建的，本期安装一台6千kW抽气背压式机组和一台65t/h锅炉，主厂房平面柱网布置见图1。根据《土规》的规定，该主厂房各纵向柱列均采用了框架加抗震支撑的纵向结构抗震措施。并根据抗震支撑应布置在使结构的刚度中心接近于质量中心的原则和综合工艺专业的要求等，将抗震支撑均布置在纵向结构的端部柱间内。

图1　主厂房平面柱网布置图

由于本工程主厂房纵向柱子少，这样在纵向柱列两端加上抗震支撑后，虽然满足了《土规》的要求，但却产生了一些不利的因素：

（1）工艺上管道及设备的布置受限制，即管道从支撑位置处穿过时，需考虑管道与支撑相碰的问题。

（2）对建筑物的造型设计有一定的影响。

（3）建筑物的功能使用上受到影响。如除氧间和煤仓间运转层的厂房横向通道的布置受到很大的艰制，因两端不能设门洞口，只能在中部柱间设置，使通道的布置不灵活，运行不方便。

（4）根据抗震的受力特点，支撑所受的地震力应保证直接传给基础。因此须在零米以下至柱基础底面或顶面设计成板式的压杆。这样就给工艺地下沟、管道的布置及结构设计带来了一定的困难。因为厂房纵向柱子间隔少，使厂房内沟、管道的走向和标高受到很大艰制，有的沟道，如排水沟又必须在支撑下面通过，这样对结构的处理是非常复杂和麻烦的。

对于上述的一些问题，虽然在实际工程设计中采取了一些相应的技术措施把它们解决了，但却不够合理。这就向我们提出了一个很实际的问题，即对于这类小型火力发电厂的纵向结构是否可优先选择纵向框架自身抗震措施而不加设抗震支撑或抗震墙呢？笔者以某发电厂二期供热工程主厂房1/D轴框架为例（荷载较大的框架），对不同地震设计烈度的情况（即无地震、7度地震、8度地震、9度地震四种情况）进行了计算分析。框架计算从略。

现取计算结果中的典型节点（26号节点）和柱（38号柱）内力进行分析，见表1～2。

表1　26号节点结构位移分析表

由表1～2看出：

（1）位移。7度、8度时结构总位移和相对位移均满足允许值的要求，而进入9度后，相对位移增大到1/156，超过允认值1/300，此时结构位移太大，已不安全。结构层间相对位移均满足要求；

（2）柱内力及配筋。从38号柱的计算结果看，7度、8度两种情况下柱子的内力不同，但柱端的最大配筋量相同，未出现8度时的配筋大于7度时配筋的情况。再看非地震情况的计算结果，在非地震情况下与7度、8度地震情况算得的配筋量均相同，这说明柱子的配筋不受地震荷载控制。之后我们再看9度地震的情况，此时柱的内力值增大很多，配筋量急剧增加，38号柱已处于地震力控制下。

总之，从计算结果及分析看出，9度地震以上，在地震力的作用下结构已不安全了，而8度地震以下均能满足结构强度与稳定的要求。

2　结构的动力特性分析

在SAP2000中计算得到的钢筋混凝土主厂房结构的振型质量参与系数见表3，由表3可知：

表3　钢筋混凝土主厂房的振型质量参与系数

（1）第1阶振型为横向平动，其横向质量参与系数为82%；

（2）第2阶振型为纵向平动，其纵向质量参与系数为68%，存在一定程度的绕Z轴的转动；

（3）第3阶振型为绕Z轴的转动，纵横向的质量参与系数很小，这不代表该振型对结构地震响应的贡献也很小，相反，扭转振型将给结构的抗震设计带来很不利的影响。

3　罕遇地震下结构弹塑性时程分析

3.1材料

（1）钢筋：采用Clough三线性模型如图2所示。考虑包辛格效应，在循环过程中考虑了刚度退化，以此来模拟钢筋与混凝土的联结滑移效果。

图2　钢筋的clough三线性模型

（2）混凝土：采用混凝土单轴本构模型与美国太平洋地震工程中心开发的OPENSEES中的concrete02模型相同，其受压骨架线如图3所示。

图3　混凝土骨架曲线

3.2构件损伤

（1）构件损伤程度不高，没有构件损伤达到较严重破坏阶段，结构构件全部满足极限承载力要求；

（2）柱出现损伤的部位主要集中在底层、煤斗层和错层处，其他部位框架柱基本保持弹性。A列底部支撑压屈，但对于对角支撑，即便一个支撑压屈，仍有另外一个提供拉力，能够为框架提供支撑作用。除非支撑受拉也进入塑性阶段支撑才进入失效状态，该结构中支撑仍能发挥作用；

（3）按照《建筑抗震设计规范》的规定，该结构在7度半罕遇地震作用下的抗震性能可以达到第4水准，相应于性能目标3，整体结构的抗侧力未明显下降。

采用ABAQUS计算了火力发电厂主厂房结构在罕遇地震作用下的结构响应，并对结构的主要抗震性能进行了分析与评价，由于国内钢筋混凝土主厂房结构的相似性和结构模型的典型性，分析得到的结论对于国内常见的火电厂主厂房也具有一定的适用性。根据分析结果可以知道：

（1）由于火电厂主厂房内部多错层，结构局部楼层在地震作用下层间位移角有所突变，形成薄弱层，在设计时应引起重视，加强薄弱部位的抗震措施；

（2）构件损伤较严重的部位主要集中在底层、煤斗层和错层处，但损伤程度最大为中度损伤，均未超过构件的最大承载力，在7度半罕遇地震作用下，大型火电厂主厂房结构的整体抗震性能和各类构件的抗震性能均满足设计要求，能够满足规范“大震不倒”的要求。

4　结束语

综上所述，通过典型实例计算分析，可以看出，对于地震区小型火力发电厂主厂房结构，当荷载相对较小，厂房的高度不太大时，如果厂房纵向框架结构计算属于非地震力控制，或虽受地震力控制，但结构的地震力计算又能满足要求的情况，在结构上进行适当的处理，不采用框架加抗震支撑或抗震墙的方案，而优先采用框架自身抗震的方案是比较合适的。这样即可避免由于抗震支撑或抗震墙给工艺和建筑结构上带来的不利因素，使我们电厂各专业的整体设计更加经济合理。

［1］宋远齐，汪小刚，温彦锋，等.大型火电厂主厂房框排架结构弹塑性时程反应分析［J］.工业建筑，2015，40（1）：51～54.

［2］吴 涛，刘伯权.大型火力发电厂钢筋混凝土框排架主厂房平扭耦联地震反应分析［J］.工业建筑，2014，34（11）：26～29.

［3］黄忠海，廖 耘，李盛勇，等.广州珠江新城东塔罕遇地震作用弹塑性分析［J］.建筑结构学报，2012，33（11）：82～90.

肖元清（1980-），男，汉族，工程师，硕士研究生，主要从事电力行业设计、咨询工作。

TU352.1+1

A

2095-2066（2016）13-0012-02

2016-4-10