火力发电厂主厂房钢结构设计优化措施探讨

曲鹏

（上海电气电站工程公司，上海 201199）

1 引言

主厂房作为火力发电厂最主要的建筑物，由于其功能分区多，结构型式复杂，体积大，技术要求高，结构设计较困难[1]。主厂房的合理布局与设计，对于保证工程质量，节约钢材，加快建设进度，确保火力发电厂的安全运行具有举足轻重的作用。本文主要结合新疆某工程设计实例，对钢结构主厂房的结构体系优化、提资荷载检查、碰撞检查及结构构件截面校核等设计优化措施进行了探讨。

2 工程概况

新疆某3×350 MW 火力发电厂的钢结构主厂房分为两个部分，一个是汽机房，另一个是煤仓间。主厂房总长度218.7 m，总宽度44.5 m，其中汽机房宽度32 m，煤仓间宽度12.5 m。主厂房的外墙采用双层保温压型钢板封闭，在汽机房与煤仓间交界处及其他一些地方做砌块填充墙。汽机房设有6.3 m 中间层，12.6 m 运转层及29.3 m 双坡屋面层。汽机平台设置在汽机房的中间，汽机房内布置有高压加热器、低压加热器及除氧器等机组设备。汽机房设置1 座吊车，吊车轨道顶部标高为24.5 m。汽机房屋面采用双层压型钢板轻质屋面。煤仓间设有6.3 m 中间层，12.6 m 运转层，29.3 m 煤斗支撑层，37.5 m 皮带层及44.45 m屋面层。

本项目基本风压为0.56 kPa，抗震设防烈度7 度，基本地震加速度值0.179g，根据DL 5022—2012《火力发电厂土建结构设计技术规程》提高一度，按抗震设防烈度为8 度设置抗震措施[2]。

3 主厂房钢结构体系优化

与普通建筑相比，火力发电厂主厂房的平面形状不规则，楼面通常存在着较大的开口，造成了结构的不连续性，导致其在地震时易发生扭转。由于煤仓间竖向收进，以及煤斗支承层与相邻层之间的质量变化，主厂房具备竖向不规则性。主厂房各楼层的可变荷载和设备荷载很大，并且分布不均匀，如煤斗、高低压加热器、除氧器等较重的设备，其布置都是比较集中的。主厂房的总体尺寸、标高、开口位置等都是由工艺专业决定，其结构布局受到很大的限制。受生产设备、管线布置等因素的制约，主厂房内抗侧力构件的设置受到了较大的约束，导致其横向及纵向刚度及质量分布不均匀，不利于主厂房结构的抗震设计[3]。根据主厂房结构的这些特点，在对其进行结构设计时，一定要与工艺专业配合，在满足工艺专业布置要求的前提下，将结构布局与工艺布局的矛盾处理妥当，尽可能地选用抗震性能好，同时也能保证经济性的结构体系。在结构设计中，要与工程特点相结合，进行结构体系布局优化。本文以新疆某3×350 MW 火力发电厂主厂房为例，对主厂房钢结构体系优化要点进行分析。

3.1 主厂房横向结构体系布置

本项目主厂房横向结构布置主要由汽机房A 列柱经屋顶大跨度实腹式钢梁和两层汽机钢平台连接至煤仓间B 列柱，煤仓间B 列柱与C 列柱通过屋顶实腹式钢梁及柱间支撑连接，通过如上布置将汽机房与煤仓间构成横向框架-支撑结构体系。本项目主厂房根据工艺技术要求进行布局，主厂房未设置除氧间，只在横向上设置了单一框架的煤仓间，因此其抗水平地震和风荷载的能力较差。为此，在设计中对汽机房屋顶上的主梁与框架柱、煤仓间各个楼层、屋顶的主梁与框架柱，均采取了刚性连接的连接方式。与此同时，在煤仓间承担较大设备荷载的16b、18、20、22、25、27、29、32a、32b、35、37、39 轴线皮带层下面，贯穿安装大十字交叉支撑或人字形支撑，并在汽机房两层钢平台内适当的地方安装若干组垂直支撑。在此基础上，使横向框架具有较高的侧向刚度，形成了一种基于“支撑-主梁-立柱”的二重抗侧设计方案，使主厂房成为“二重”抗侧结构，满足“多重”设防的要求。

3.2 主厂房纵向结构体系布置

主厂房纵向框架结构中，采用框架主梁与框架柱铰接连接，并在框架柱间加支撑的方案。在A 列纵向框架18-19、28-29、34-35 轴线柱间，从0 m 到屋面，设置了3 道竖向布置的垂直支撑； 在B、C 列纵向框架19-20、27-28、35-36 轴线柱间，从0 m 到屋面，设置了3 道竖向布置的垂直支撑。垂直支撑的设置需避开底层大型磨煤机，并为其留出安装检修通道；垂直支撑应靠近煤斗等大荷载设备，以便更有效地传递地震作用产生的水平荷载。通过设置柱间垂直支撑增加了主厂房纵向钢框架侧向刚度，可以有效传递地震作用产生的水平荷载。

3.3 主厂房楼面水平布置

汽机房和煤仓间的楼面及煤仓间的屋面均采用压型钢板作为固定底模，在其上面采用现浇的钢筋混凝土楼屋面板。在进行整体空间分析时，考虑到了在协调各轴构架变形时，由刚性楼板所起的作用。钢筋混凝土楼屋面板拥有良好的平面内刚度，是重要的传递水平荷载的结构构件；在主厂房结构体系中，钢筋混凝土楼屋面板可以协调各个框架的刚度和变形，使主厂房框架成为完整的空间结构体系[4]。因工艺布局的需要，楼面往往存在较大的开口，从而使楼板的刚度有所减弱，因此应在开口周边适当设置钢水平支撑，以加强对梁柱的侧向约束，并实现水平地震动力的有效传递。

通过以上各项措施，使主厂房框架形成合理的空间整体结构，为主厂房钢结构用量优化打下坚实的基础。由于主厂房框架的梁柱布置以工艺要求为主，因此，主厂房框架的优化布置主要通过柱间支撑的优化布置来实现。合理的支撑布局，可以有效地传递水平向地震动，调节主体建筑的刚度，使得主体建筑的受力更加合理、动态特性更加优良。本项目主厂房在煤仓间的皮带层下方的横向框架柱之间，使用了大十字支承，相对于传统的V 形支承和人字形支承，其优点是显而易见的。在地震荷载作用下，作为主抗侧构件的支撑最易发生屈曲，而大十字交叉支撑能够确保在受压肢屈服后受拉肢仍然能够发挥其功能。相对于V 形支承和人字形支承，十字形支承在与梁交会部位不会因支承构件受拉和受压而对梁产生垂直方向的不均衡作用力，从而对结构的整体稳定起到了更大的作用。在煤仓间中，纵、横两个方向的柱间竖向支撑互相配合，构成一个连续、密闭的支护体系。通过这种布局方式，整个主体建筑在强震下表现出较好的动态性能，即在两个主轴方向上整个主体建筑的动态性能相近，主体建筑的抗震性能显著提高。

4 提资荷载检查和碰撞检查

主厂房的荷载类型、工况类型与普通建筑物不同，其荷载分项系数、组合值系数等都应该按照DL/T 5095—2013《火电厂和核电厂常规岛主厂房荷载设计技术规程》 中的规定来确定[5]。在确定框架柱和主梁的承载力时，需将荷载折减后纳入计算；在验算次梁承载力过程中，荷载不会发生折减。对主梁和框架柱结构的变形进行校核时，应采用经过折减后的荷载标准值；在校核次梁的变形时，按未经过折减的标准值计算荷载。在设计过程中，通过荷载的最不利布置分组得到荷载基本工况，再根据规范中规定的组合公式计算得到各种组合工况，再将各组合工况输入计算机程序中，从而完成荷载的组合计算。根据各工艺专业的提资及DL/T 5095—2013《火电厂和核电厂常规岛主厂房荷载设计技术规程》，可以确定主厂房各楼层的设备荷载及可变荷载取值。在设计前需重点检查工艺专业的提资荷载是否合理，减小或取消不必要的人为裕量，这项工作需工艺专业配合进行。

为改善结构的抗侧力性能，调整厂房主体结构的刚度分布，使整体结构的受力更加合理，结构设计者往往要求较多且对称地布置支撑。然而，在主厂房钢结构的设计中，柱间竖向支撑的设置，首先要符合工艺装备及管线布置的要求，因此在设计时要进行碰撞检查。在抗震设防烈度较高的地区，主厂房钢结构支撑设置较多，需重点检查主厂房钢结构梁、柱、支撑是否与工艺专业的设备、管道相碰撞，是否影响交通及检修空间等，这项工作需工艺专业配合进行。在此基础上，通过与各专业的协调，实现了工艺方案的可行性与结构方案的合理性的统一。

5 主厂房钢结构构件截面校核

本项目采用STAAD Pro 三维有限元分析程序对主厂房钢结构进行分析计算。STAAD Pro 是一款三维空间结构分析程序，它可以根据主厂房的实际尺寸进行三维建模，在模型上施加真实的荷载，考虑各种荷载组合工况，构建出接近实际情况的分析模型。STAAD Pro 可以对各种部件之间的协同作用进行充分考虑，可以精确地对各构件连接方式及约束条件进行模拟，其结构受力分析结果合理，并可以对梁、柱、支撑等构件进行规范校验。STAAD Pro 仿真软件能够较好地模拟构件之间的连接形态及受力情况，本项目主厂房框架结构体系采用横向刚接加支撑、纵向铰接加支撑的方案，框架柱与基础的连接形式需要采取一个方向释放弯矩，另一个方向维持固结的方式。在STAAD Pro 中通过编辑支座限制信息可以模拟以上连接方式。

为了提高设计质量，减小主厂房钢结构用钢量，需要对主厂房框架梁、柱、支撑截面的选取进行校核。国内设计院在钢结构设计中，往往对钢框架梁、柱、支撑截面利用率比较保守，导致钢结构主厂房用钢量较大。在STAAD Pro 程序中，其配有的优化算法，可实现精确快速地迭代计算，对结构构件截面的选取进行优化设计。在实际设计中，通常要求在合同允许条件下，梁、柱、支撑在最不利组合工况下的截面计算应力与材料的设计强度比值达到80%以上的构件不小于60%。另外，还需校核钢结构材料材质选择是否合理，在以强度控制为主的钢结构设计中，优先选择高强度结构钢。通过以上技术措施，利用有限元分析软件对主厂房钢结构构件进行截面优化设计，可以在满足主厂房荷载要求的同时降低钢材用量。

6 结语

火力发电厂主厂房的钢结构设计是一项十分复杂的工作，既要进行总体设计，又要进行细部设计。通过对主厂房横向框架、纵向框架及楼屋面结构的合理设计，选择合适的连接方式，对支撑进行合理布置，可以确保主厂房的整体结构稳定。通过提资荷载检查和碰撞检查可以减少设计输入荷载，避免设计失误。通过采用有限元计算软件对主厂房钢结构梁、柱、 支撑构件截面进行优化设计，可以满足主厂房的荷载需要，同时降低钢结构用量。通过以上各项优化措施，可以提高设计质量，降低钢结构用量，达到优化降本的目的。