1、大型火力发电厂厂房结构设计摘要：本文针对大型火力发电厂厂房结构设计问题进行了研究和探讨，介绍了实际设计中的一些经验和方法。 关键词：火力发电厂；结构设计；受力体系；建模分析 Abstract: This dissertation studies and discusses some problems in main building structure design of large-sized fossil fired power plants, including some experiences and methods in practice design. Key words: Fos
2、sil Fired Power Plant; Structure Design; Stress System; Model Analysis 中图分类号：TM62 文献标识码： A 文章编号： 近年来，随着燃料资源的紧缺和环保要求的日益提高，我国的火力发电厂建设逐步趋向于高参数、大容量、高效率的机组类型，相比较以往的火电厂，新型火力发电厂规模更大、系统更复杂、对设计施工的要求更高。大型火力发电厂的厂房结构设计是整个电厂设计的一个重要组成部分，本文将就此进行研究和探讨。 结构受力体系的选择 大型火力发电厂厂房的布置很大程度上取决于工艺的要求，总体来讲一般由汽机房、除氧间、煤仓间三大部分构成。长期
3、以来，我国火力发电厂厂房一直采用内煤仓布置（汽机房一除氧间一煤仓间顺列布置） ；而近年来一批电厂采用了侧煤仓布置（汽机房一除氧间顺列布置，炉侧布置煤仓间）的方案。 大型火力发电厂厂房是由纵向和横向框架、支撑以及各层楼（屋）面联合组成的空间受力结构体系。目前，主要采用现浇钢筋混凝土框架体系和钢框架支撑体系两种受力体系。 现浇钢筋混凝土框架受力体系过去广泛应用于单机容量在 300MW 以下级的火电厂中,近年来随着钢筋强度的提高和高强混凝土的广泛应用,使钢筋混凝土结构的承载能力大幅增加,从而使该种体系逐渐应用于单机容量 600MW 乃至 1000MW 级的机组中。该体系横向采用框排架形式，即除氧煤仓
4、间框架通过汽机房屋面与汽机房外侧柱铰接；纵向则采用全刚接框架形式。此种受力体系的优点是拥有良好的整体性和刚度，利于工艺布置，耐久性好，造价低；缺点是承载能力有限，结构自重过大对地基基础的处理提出了更高的要求，同时施工较为复杂。 钢框架支撑受力体系一直以来都是大型火力发电厂厂房采用的主要结构形式，其主要又分为：横向刚性连接，纵向铰接加垂直支撑；横向刚性连接，纵向根据计算要求设置若干跨刚性跨；纵横向均采用铰接加垂直支撑；横向刚铰混合连接，纵向铰接加垂直支撑等几种形式。对于钢框架支撑受力体系，根据其节点构造及支撑布置方式的不同，可总结归纳见表 1 和表二。 表 1.钢框架支撑体系横向受力形式 表 2
5、.钢框架支撑体系纵向受力形式 从空间三维角度考虑，厂房受力体系可按以上两表分类情况组合确定。除去不合理的结构体系，可组合出 A1、A2，B1、C1、C2、D1、D2 等七种类型。 钢框架支撑受力体系具有自重轻、承载能力强、延性好、施工方便以及可重复利用等优点。但同时其造价高、耐候性能差，支撑的设置也给工艺管道和设备的布置带来了很多困难。 大型火力发电厂厂房结构受力体系的选择要综合考虑承载能力、工艺布置、场地情况、施工要求以及工程造价等多方面因素，进行多方案比选从而确定最优的结构形式。 建模计算分析 2.1 结构计算分析软件 目前常用的结构计算分析软件有以下几种: (1)PKPM 系列软件:PK
6、PM(又称 PKPMCAD)是一套集建筑、结构、设备设计于一体的集成化 CAD 系统软件。本系统采用人机交互输入方式，装有先进的结构分析软件包，容纳了多种计算方法，如平面杆系、矩形和异形楼板、三维壳体单元及薄壁杆系、楼梯、基础、构件、砖混底框、钢结构以及预应力混凝土结构分析等等。 （2)STAAD/CHINA 软件: 包括 STAAD.Pro 与 SSDD 两部分。该软件具有强大的三维图形建模系统及丰富的结构模板，用户可方便快捷地直接建立各种复杂的三维模型，亦可通过导入其他软件(例如 AuT0cAD)生成的标准 DXF 文件在 STAAD 中生成模型。该软件最大的特点是具有超强的有限元分析能力
7、，可对钢、木、铝、硅等各种材料构成的框架、塔架、格架、网架(壳)、悬索等各类结构进行线性和非线性的静力分析、反应谱分析及时程分析，并进行可视化前后处理。 （3)SAP2000 软件:该软件以空间杆单元模拟梁、柱、支撑，以壳元模拟剪力墙.可以进行逐步大的变形分析、多重 P 一 Delta 效应分析、索分析、单拉和单压分析、屈曲分析、爆炸分析、基础隔震和支承塑性的快速非线性分析、用能量方法进行侧移控制和分段施工分析等。 另外，MIDAS/GEN、ANSYS、MTS、3D3S 等软件也因其各有的特点广泛应用于结构的分析计算中。作为合格的结构工程师应该根据建筑结构的特点，选择合适的结构计算分析软件，并
8、应了解软件的基本假定、边界条件和适用范围等，同时应对计算模型采取必要的技术处理，使其更接近实际结构以满足工程设计的精度要求。 2.2 建模基本假设 大型火力发电厂厂房结构包含许多复杂的系统，如何把结构的情况更加合理地反应到计算模型中，是建模分析的关键。为此，需要结合工程实践和有关规范要求，在结构建模过程中做一些条件假设。不同的计算软件和计算模型所做的假设可以不完全相同，但最基本的假设有以下几点： 所有材料均视为线弹性和各向同性。 厂房的柱、梁和支撑等构件可以按空间杆系模型进行模拟。 支撑构件视为两端铰接杆件，只承受轴力作用。 对于连续现浇混凝土楼板可假定其在平面内无限刚度，对于大开洞和削弱楼板
9、应考虑其弹性变形。假定钢次梁均为铰接，不承担地震力。现浇楼板和固定的钢格栅板可视为钢梁翼缘的横向支撑。 不考虑锅炉炉架对厂房刚度的影响。 对于附属结构系统（如煤斗、吊车梁等）只考虑其传递的荷载，不参与厂房结构的整体受力分析。 厂房基础分析时应考虑上部结构的等代刚度。 2.3 荷载和作用 大型火力发电厂厂房的荷载情况十分复杂，大致可以分为三类： 恒荷载:结构自重 活荷载:楼(地)面活荷载、屋面活荷载、吊车荷载、风荷载、雪荷载、积灰荷载、设备和管道荷载（包括设备管道中的液汽和煤斗中的煤等填充物）等。 偶然荷载:设备的爆炸力、撞击力等。 具体的荷载工况和荷载组合可以参考建筑结构荷载规范和火力发电厂土
10、建结构设计技术规定进行选取，这里就需要注意的内容予以特别说明: 用于结构整体计算和具体构件计算的工况和组合应加以区分,从而避免整体计算中重复考虑荷载或构件计算中未满足最不利荷载的情况出现。如整体计算时不考虑施工安装的大件运输、起吊等临时荷载以及设备非正常运行的活荷载，而在构件计算时二者均要考虑。 （2）对于设备动荷载一般可以按乘动力系数的方法等效为静荷载考虑，必要时也可以采用弹簧隔震的方法加以处理（如振动设备的荷载） 。 （3）吊车荷载宜作为移动荷载考虑。 (4) 对于超长结构应进行整体温度应力分析。 结构设计要点 3.1 现浇钢筋混凝土框架结构设计 框架柱设计要点: 框架柱设计最关键之处在于
11、有效控制其轴压比从而确保结构的延性。由于工艺布置的原因，有时框架柱的尺寸是被限定的，此时可以采用高强度混凝土以及相关的构造措施来保证轴压比满足要求。 框架柱应根据荷载情况和工艺要求，采用由下而上分段递减的截面且尽量减少偏心，各榀框架柱的截面应尽量一致，避免出现刚度不均匀。框架柱纵向受力钢筋直径选择应合理，以使钢筋均匀分布于柱两边为宜，不可过稀或过密。柱箍筋设计应注意肢数和肢距的要求，从而保证其抗剪和包裹混凝土的能力很好地发挥。 在抗震设计中应时刻把握“强柱弱梁、强剪弱弯”的原则，对框架柱的各项设计内力加以调整后再进行柱配筋设计。同时，要特别注意在设计中贯彻规范的各项抗震构造措施。 框架梁设计要
12、点: 宜采用横向框架梁承重体系，横梁纵向应与框架柱强轴一致且横梁宽应小于柱宽至少 100mm，以保证钢筋的锚固要求。 横向框架梁配筋设计时应考虑框架节点刚域的影响、楼面活载的折减以及适当的塑性调幅，以避免梁端配筋过大的情况出现。横梁上有次梁处应设置搁置牛腿（挑耳）并附加箍筋或吊筋承担集中剪力。煤斗支承梁应按深受弯构件设计。 纵向框架梁应采用双梁设计，这样既可以满足工艺管道的布置需要又可以防止框架柱沿弱轴扭转，同时尽量避免两根纵梁的刚度差异。框架纵梁的计算配筋一般不大，但要适当增加一些通长的纵向腰筋以抵抗温度应力。 不可随意增加梁端受拉钢筋的数量，以免塑性铰向柱端转移。 钢框架支撑结构设计 钢结
13、构框架梁、柱在地震作用下，容易产生整体失稳和局部失稳的现象，继而出现强度和刚度的退化，因此钢结构框架梁、柱设计时应注意以下几点： 框架梁、柱板件的宽厚比不应超过抗震设计的上限以防止局部失稳。框架梁在可能出现塑性铰的部位应合理布置侧向支撑，由于地震作用的双向性，塑性铰弯矩方向也在变化，故梁的上下翼缘均应设置侧向支撑。 特别注意控制框架柱的轴压比以保证结构有足够的延性，同时也要兼顾框架柱的长细比指标来确保其刚度。采取有效措施控制结构的层间位移。 钢框架设计应形成“强柱弱梁”体系，塑性铰要求出现在梁上，而柱子除柱脚外均保持为弹性体系，以使框架具有较大的吸能能力。为保证塑性铰出现在梁端，框架柱端的截面
14、塑性抵抗矩应大于梁端的截面塑性抵抗矩。 钢框架节点连接的设计强度不应低于其连接构件的强度，宜采用螺栓连接的形式以减少现场的焊接。 钢结构支撑的设计既要满足结构的受力要求，同时也不能影响工艺管道和设备的布置，而二者又常常出现矛盾，这就需要工程师充分地发挥自己的智慧来解决问题，以下是一些经验： 钢支撑应选择布置在设备和管道较少的区域，如横向框架支撑宜布置在煤仓间内。当支撑与工艺的设备和管道相碰时，应与工艺专业配合，灵活改变支撑的形式（如采用 K 型、人型、Y 型以及单斜杆支撑等）以合理地避让。 （2）支撑纵向布置应对称，避免引起结构的扭转，可考虑在结构单元的两端和中间对称处均匀布置，如无条件可适当
15、平移处理；支撑在竖向宜连续布置并延伸至基础以便更好地传力，如无条件可以错列布置但应注意偏移距离不应超过支撑本身宽度，并应上下重合一层高度，相应的梁柱构件宜考虑适当加强。 （3）支撑的倾斜角应控制在 3055 度之间以保证其传力效果。垂直支撑的计算分析要注意平面外计算长度系数及地震工况下相关的反应放大系数。 （4）若局部由于工艺的要求实在无法设置支撑，可以考虑加大梁柱的尺寸并采用刚接的无支撑框架来代替支撑。 楼（屋）面结构设计 大型火力发电厂厂房楼（屋）面一般采用钢次梁与现浇钢筋混凝土板组成的组合结构，通过抗剪连接件将钢梁和混凝土翼板连成整体而共同工作，具有平面刚度大、耐腐蚀和耐火等优点。楼面钢
16、次梁可按钢一混凝土的组梁计算，并利用混凝土的受压作用减小钢梁尺寸。钢梁顶抗剪连接件可采用栓钉、槽钢和弯筋等，连接件靠其横截面的抗剪作用来传递剪力，使混凝土楼板和钢梁共同作用，而且连接件的施工一般配有专门机具，施工速度快、质量好、受力可靠。 大型火力发电厂厂房除氧煤仓间屋面跨度较小，一般采用与楼面相同的组合楼盖，仅在板的构造和配筋上采用保温隔热的构造措施。汽机房屋架由于跨度较大（一般超过 40m） ，一般采用钢桁架或钢网架结构。钢桁架结构一般采用梯形桁架，考虑到屋面结构的空间受力性能，应设置完整的支撑体系。一般在每个温度伸缩区间内均设置三道上、下弦横向水平支撑，并在两端区间设置纵向通长的下弦水平
17、支撑组成封闭的区格；在屋架两端、中间及 1/4 跨度处各设一道垂直支撑，并通长设置；上下弦未设置垂直支撑处均应设置通长的水平系杆以传递纵向水平力，其中上弦系杆允许由檩条（次梁）兼做。钢网架结构的平面内、外刚度均较好但施工要求较高，一般用于跨度 45m 以上的屋面结构。屋架与厂房柱的连接可以采用刚接和铰接两种方式。 对于钢结构受力体系，为了保证楼（屋）面结构的空间稳定性，应在钢次梁下翼缘平面设置水平支撑，以避免结构体系出现几何形变。 设计图纸 经过前面的结构受力体系选择、建模计算分析以及结构设计等环节，最后要将设计结果以图纸的形式输出，设计图纸主要分为施工图和竣工图。 施工图顾名思义为现场施工的
18、依据，是设计图纸的核心部分，大型火力发电厂厂房的结构施工图要注意以下几点： 结构设计的有关条件和注意事项应全面加以说明。主要包括设计使用年限、安全等级、场地类别、地震加速度、地震分组、抗震等级、环境类别、地基情况及承载力、基本风压、材料等级及要求、施工中的注意事项、通用图集的选用等等。 结构布置图应准确详细地表达结构的有关布置信息，如坐标、高程、轴线尺寸、构件规格及布置形式、基础和地下设施情况等等。 结构详图的设计深度应满足现场施工需要，混凝土结构应明确现场钢筋放样原则，钢结构节点如需二次设计时也应给出相应的设计原则。 各图中未尽部分应给出附注说明。 竣工图的编制关键应如实地反映结构最后的竣工状态，为日后的改造和扩建提供有效的依据。 5. 结束语
