火力发电厂钢结构厂房设计研究

火力发电厂钢结构厂房设计研究

苏恩龙公晓颖

（中国能源建设集团黑龙江省电力设计院有限公司黑龙江哈尔滨150078）

摘要：现阶段，由于火力发电厂的规模在不断扩大，主厂房的面积也随之增大，因此对主厂房的结构安全、抗震性能等要求也相应提高。由于钢结构的布置灵活简便、自重轻、强度高、抗震性能佳等特点，逐渐成为火力发电厂主厂房建设的主要结构形式。本文分别针对主厂房钢结构设计时支撑选择、节点设计、荷载取值、抗震设计、经济性分析五大方面进行分析，为行业设计提供参考。

关键词：火力发电厂；主厂房；钢结构

1钢结构主厂房概述

我国居民的用电需求量日益增加，火电厂的规模不断扩大，覆盖范围越来越广泛。主厂房作为发电厂的核心建筑，其占地面积相对较大，结构性能也相对复杂。主厂房中大多是大型、重型设备，这就使得其结构设计尤其是抗震设计与其他建筑大有不同。考虑到钢结构的性能相对稳定、强度高、自重低等特性，并且钢结构的布设简易、便捷，施工进度较快，投入产出收益快，再加上我国钢材市场相对健全，钢材价格的经济效益较为可观。综上种种因素，火力发电厂主厂房采用钢结构是最为合适的。

2钢结构主厂房设计原则

首先，火力发电厂主厂房的节点和高层以下部分的水平支撑柱是相互连接的，对承载力要求较高的除氧煤仓间框架要采用刚接方式，一般性的连接部位采用铰接方式，并且确保每一列都要设置相应的柱间支撑。其次，主厂房的运转层平台多是大平台结构，应该在梁和柱之间形成水平支撑承重体系，采用铰接的方式实现钢梁和现浇混凝土板组合结构。

3钢结构主厂房设计分析

3.1支撑选择

第一，垂直支撑的选择。火力发电厂的钢结构主厂房必须按照受拉和受压的标准严格规范支撑方式，排除K形撑干扰，通过单斜撑、交叉撑、V形撑、人字形撑等垂直方式支撑框架体系。

第二，水平支撑的选择。由于主厂房结构中存在楼层高度超标情况或根据工艺要求，不能设置竖向支撑，这就需要对相关楼层截面采取水平支撑。

第三，V形或人字形垂直支撑相交梁的侧向支撑选择。当主厂房混凝土楼板较为饱满时，要对梁侧和钢架的连接处施加侧向支撑力；当厂房的楼层为无楼板时，要准确计算支承梁的上下两个翼缘的间距，以析架为梁的侧向支撑。

3.2节点设计

3.2.1垂直支撑与梁、柱的连接节点

其一，垂直支撑和节点板之间的连接要求比较严格，要准确计算出构件的拉力和压力；根据连接角钢与节点板连接净面积进行连接节点的弹性验算；根据连接角钢和钢板的有效净面积进行塑性验算。

其二，节点处一般选择摩擦型高强螺栓，并采用对接端板和节点板的焊接加强梁翼缘的连接。

其三，合理布置人字形或V形支撑与梁连接节点处的螺栓数量及位置，尽量确保结构安全及受力均匀。

3.2.2柱的拼接

由于主厂房高度较高，主厂房柱一般采用拼接方式，应分别对拼接柱的弯曲强度、抗弯、抗剪承载能力进行验算。一般柱的拼接接头在三分之一高度，采用高强螺栓来承传递接处的剪力，提高主厂房柱与柱之间的受力分散性能。

3.2.3梁端连接

首先，次梁与主梁的连接要采用统一规格的连接角钢，根据受力不同相应改变连接角钢的尺寸，按照实际受力进行验算。

其次，主厂房中有垂直支撑连接的主梁梁端，根据角钢肢尖或肢背的宽度合理安排双排螺栓，以此确定角钢的厚度。

3.3荷载取值

在火力发电厂的钢结构主厂房设计中，必须对框架结构的梁、柱、支撑、柱脚内力、连接节点等不同的构件采取不同的荷载组合进行验算，在综合比对各组合的前提下，选出最不利的组合形式，对其进行截面最优化设计。在具体的厂房荷载取值过程中需要考虑多方面的因素，各因素的不同组合也会造成最终计算结果的差异。通常厂房的永久荷载取值要综合结构、煤斗、除氧器等大型设备的自重，厂房的可变荷载取值则要参照相关技术标准准则来指导各层楼面的荷载值。通常情况下，单机容量大于300MW的火力发电厂，其荷载取值要视具体的楼面、汽机房、锅炉房、修配间、检修间等情况而定。吊车竖向荷载值是吊车自重和所吊物质量的总和，其纵向刹车荷载值是单侧轨道上施加的最大轮压值之和的10%，其横向刹车荷载值是横行小车质量与额定起重质量之和的8%。此外，在计算厂房的柱框架强度时，荷载值是可变的，并要在此基础上进行折减；而在计算次梁强度时，可变荷载值就不必折减。如果是计算两者变形状态下的荷载值，必须使用标准值。

3.4抗震设计

钢结构主厂房布置总体上应服从设备布置和运行的需要，在满足工艺条件的前提下，结构布置应尽可能调整抗侧力构件布置，使整体结构刚度和承载能力分布均匀，各轴线侧向刚度应保持接近，避免产生过大的应力集中或塑性变形。各楼层质量分布不均匀时，应避免局部过大凹凸和楼板不连续，减少各楼层质量中心与该楼层水平刚度中心的偏心及结构竖向刚度的突变。厂房结构宜有多道抗震防线，避免因部分结构或构件的破坏导致整体结构丧失承载能力。

钢结构主厂房宜采用空间体系进行结构整体分析，并应考虑结构扭转和楼(屋)盖平面内变形的影响。计算模型应能代表楼板和楼板与框架梁连接的实际刚度，在水平地震作用分析时，楼板结构也可采用等刚度交叉水平支撑代替。当采用长细比较大、稳定承载力较低的支撑时，应考虑不同方向斜支撑因受压退出工作的影响。

钢结构主厂房应该根据抗震设防标准及抗震设防烈度进行抗震作用计算，抗震性能是其重点把握的关键设计点。厂房的每个楼层结构之间都应该有独立的抗震体系，排除各结构之间的相互作用干扰，在厂房内部形成分散而又互为整体的承载体系。主厂房的整体框架结构需要支撑，各楼层设计需要钢梁现浇混凝土板加固，当厂房的抗震性能上升到一定层次之后，就要相应加强其防护作用。

3.5经济性分析

第一，对钢结构主厂房的地基处理费用进行分析，相较于混凝土结构主厂房，其处理要求大大降低，处理费用也大大较少。

第二，钢结构厂房的自重轻，钢材的延展性能和抗震性能都比一般材料强，可以大大减少建设施工中的材料耗费，再加上我国的钢材建筑市场较为成熟和稳定，钢材价格较为低廉，因此钢结构厂房的总体造价会比一般材质结构的厂房更为经济实惠。

第三，通常大型火力发电厂的钢结构主厂房都会采取防腐处理，并且钢材的耐久性本身就比较强，因此钢结构厂房的后期维修保养费用可以得到有效节省。

第四，钢结构主厂房在使用寿命完结后，剩余的废旧钢材可以二次回收利用，对材料的循环使用可以在实现资源节约的同时保护生态环境。

结束语

火力发电厂的钢结构主厂房设计研究意义重大，本文从支撑选择、节点设计、荷载取值、抗震设计、经济性分析这五大方面对钢结构厂房进行分析，揭示了钢结构厂房结构稳定、抗震性佳、经济适用性强的特点，有助于我国厂房结构转型升级。

参考文献

[1]洪海.钢结构在火力发电厂主厂房设计中的应用[J].工程技术,2014,(11):103.

[2]江松.火力发电厂主厂房钢结构设计研究[J].建筑工程技术与设计,2014,(6):851-852.