火电厂钢结构主厂房设计研究

火电厂钢结构主厂房设计研究

倪志红1马小兵2

1中机国能电力工程有限公司上海200061；2上海康恒环境工程有限公司上海201703

摘要：电力能源作为目前我国适用范围较广、实现功能较多的能源类型之一，其发电的形式在我国北方地区主要以火力发电为主。火电厂作为火力发电主要的场所，其内部建设的安全性与功能性将会对火力发电的正常进行起着决定性作用。在火电厂各部分设施中，主厂房作为主要的发电过程场所，对其厂房的设计应引起足够重视。本文通过对某火力发电厂钢结构主厂房的设计过程进行阐述，介绍火电厂钢结构主厂房的设计方法。

关键词：火电厂钢结构主厂房设计

钢结构厂房相较于传统的钢筋混凝土结构具有施工方便、快速，质量相对容易控制，自重轻，美观，便于缩短工期等优点。而火电厂的主厂房内部存在大量设备，且需要实现多种功能，因而这一类型的钢结构厂房相较于其他普通钢结构厂房有更为复杂的特点。下面就以某火电厂主厂房设计为例介绍这一类型厂房的设计方法。

1.工程概况

本工程为火力发电厂的主厂房，其厂房内部按照功能可分为汽机房、除氧、煤仓间两个部分。汽机房横向跨度为24m，纵向共27个开间，柱间距8m，设一道伸缩缝插入距为1m，纵向总长度为217m。除氧煤仓间跨度为10.5m，为29个柱距，柱距为8m，设一道伸缩缝插入距为1m，纵向总长度为233m。该厂房各部分标高分别为：汽机房吊车轨道顶端18.0m、屋架上弦结构梁顶标高为23.55m，屋架下弦标高为21.95m。除氧、煤仓间屋面顶标高41.45m、给煤机平台标高18.0m、煤斗支撑结构顶端35.0m、皮带层标高35.0m，高位转运站楼面标高41.5m，转运站屋面标高48.97m、除氧器坐落在18.0m标高处。本厂房在钢结构设计方面有如下几个需要注意的问题：

①厂房整体水平方向与竖直方向均存在不规则结构，如汽机平台采用岛式布置、煤仓间在竖直方向需要采取突变式收进的建筑施工方法、煤斗支撑结构与其相邻部位受力极为不均等。

②钢结构的各部分长度、高度及孔洞大小需由建筑整体设计人员按照施工工艺要求确定，因而钢结构设计会受到很多约束。

③主厂房内部设备放置与管道布置情况较为复杂，且由于该厂房选择垂直支撑结构，因而需要慎重考虑垂直支撑设置位置与设置数量。

2.抗震等级选择

本工程主厂房所在位置地震烈度为6度，基本地震加速度最大值为0.05g，场地分类为Ⅲ类。根据《火力发电厂土建结构设计技术规程》DL5022-2012要求，对于丙类的钢结构主厂房，若抗震设计烈度分别为7度、8度、9度，则其对应的抗震等级应分别为四级、三级、二级。由于本工程电厂地理位置的特殊性，且是岛上唯一电站，根据《火力发电厂土建结构设计技术规程》DL5022-2012及《建筑工程抗震设防分类标准》GB50223-2008，抗震分类标准按乙类，属于重点设防类，因而对主厂房应提高一度采取抗震措施，抗震等级为四级；同时根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010要求，本工程主厂房整体抗震等级为四级。

3.荷载输入与组合的计算

火力发电主厂房相较于其他工业建筑及居民住宅，在荷载类型、分项系数、工况类别等方面都有较大不同。其上述方面的施工标准都可在技术章程中找到。在对于钢结构框架进行分析时，应将诸如设备非正常运行状态下产生的额外荷载、施工过程中大型施工设备的移动、吊运等荷载排除在外。在对框架、主梁结构的性能进行验算时，应对荷载进行适当折减，并将这一减少后的值代入主框架验算中；而对于次梁进行上述计算时则不应折减荷载。在设计过程为保证其性能符合要求，应将工况设置为对钢结构受力最不利的情况，并将其定为基本工况，随后再逐步根据荷载的组合方式逐步推算出各种其他工况。之后将这些组合工况的各种参数输入计算机，由程序完成计算。这一过程不可将未经组合的数据输入计算机而由计算机进行自动组合，否则有可能会造成组合混乱而影响计算。

4.钢结构主厂房结构形式

主厂房横向由A列柱-汽机房屋盖-除氧煤仓间框架组成带支撑框、排架结构体系，纵向采用带支撑框架结构体系。主厂房各层楼板采用钢梁上铺压型钢板作底模钢筋混凝土楼板，并且钢次梁与混凝土楼板按组合结构进行设计。汽机房屋盖采用倒三角形空间桁架结构，轻型屋面。各列纵向结构均应设置柱间支撑，并使各列刚度相互协调，主梁、支撑、柱中心宜布置在同一轴线上，三、四级且高度不大于50m的钢结构宜采用中心支撑，中心交叉框架宜采用交叉支撑，也可采用人字支撑或单斜杆支撑。设置柱间支撑这种结构设计方案能够有效的提高钢结构整体稳定，承受各种竖向与水平荷载的同时保证结构抗侧刚度达到实际应用需求，减少侧向位移。基于结构整体受力特点，在针对柱间垂直支撑进行设计时，需要结合管道布置、机械设备安装运行进行综合考虑，保证设计方案合理性。最终确定将纵向垂直支撑布置在荷载较大跨，形成上下贯通；横向垂直支撑设置在固定端和扩建端端跨，局部考虑设备运输及管道布置采用人字支撑；有效的保证了在承受设备荷载较大位置形成一个封闭支撑体系。利用专业模型对各项参数进行计算分析，确保该方案可以提高厂房结构性能。竖向支撑形式，在受到地震作用力影响时，还可以将支撑作为易屈服杆件。基于厂房纵向铰接特点，支撑便成为纵向主要抗侧力构件。对于支撑构件来说，并不是截面越大越稳定，因此设计时假如支撑不变，必须要对各参数进行调整，避免局部刚度减小。抗侧力敏感度低部位支撑，需要提高截面利用率，控制其应力，不仅可以提高结构稳定性，还可以提高工程建设经济性。

5.支撑框架类别的判别

在早年间的钢结构设计的有关国家规范中，钢框架按照钢结构的抗侧移能力可分为无侧移框架及有侧移框架。对于这两种框架的判断一般按照如下方式进行：无侧移框架结构一般附带一些支撑结构，如支撑架、剪力墙等，且该结构抗侧移强度会大于其框架本身的抗侧移强度五倍以上；而有侧移框架结构一般不附带设有支撑结构，且结构抗侧移强度不会高于框架本身抗侧移强度5倍以上。在实际工程中通常采用的计算方法是，若框架在水平方向的受力小于其总体受到的剪力的1/5时，即可认为该结构为无侧移框架。这一规则计算简便，因而在钢结构设计领域广泛使用。

在国家2003年颁布的新版《钢结构设计规范》中，改变了对刚框架的分类方式，将原有的有支撑框架更加具体地分为强支撑框架和弱支撑框架，其中强支撑框架的有关参数标准与旧版本的无支撑框架类似，因而可对原有名词进行替代。在这一规范中还给出了对于框架强弱支撑判别的规范性公式，公式如下：

结束语：

火电厂主厂房作为火电厂重要建筑设施之一，对其进行钢结构设计时要在满足工艺条件的前提下，尽可能调整抗側力构件布置，使整体结构刚度和承载能力分部均匀，各轴线侧向刚度保持接近，避免产生过大的应力集中或塑性变形，要求将保证厂房整体结构稳定放在首要位置，保证火力发电的正常进行。

参考文献：

[1]肖长重.钢结构单框架主厂房在火电厂的设计优化分析[J].山东工业技术,2018,(04):192.

[2]李灵聚,梁焕新.火电厂钢结构主厂房设计研究[J].当代化工研究,2017,(07):18-21.