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【内容摘要】本工程的地震和地质条件对主厂房结构的选型是很有利的,无论采用钢结构或钢筋混凝土结构都是可行的,也是适用的。两种结构型式各有利弊,钢结构具有的优势为施工周期短、结构自重轻。而混凝土结构的优势为节约投资。
遵照“经济适用、系统简单、备用减少、安全可靠、以人为本”的原则,本工程主厂房从结构设计的优化、工程造价合理及满足工期要求的角度,推荐主厂房采用钢筋混凝土结构方案。
1、工程概况
厂址场地满足4台9H机组用地需求,地貌类型为丘陵地貌,主要由“U”字型宽大山脊及山间宽缓谷地组成,整体呈北高南低,场地可利用范围内自然高程约305~350m,相对高差约45m。场地内植被发育,以柠檬、杂树为主,部分水田,分布有鱼塘。两条中石油埋地天然气输送干管靠近场地东侧南北向通过。场地内及周边分布村民房屋,需搬迁民房约7户、500m长110kV架空输电线、350m长居民燃气管道。
厂址不占用基本农田,大部分属于规划工业用地,其余为一般耕地、果园和林地。
工程所在地50年一遇10m高10min基本风压为0.36kPa,地面粗糙度类别为B类。
2、工程地质与主要设计参数
厂址西北500m外建有水泥公司,现有一沥青路面材料厂紧靠水泥公司南侧在建。
厂址主要为一般耕地,有少量果园及林地。场地满足4台9H机组用地需求,地貌类型为丘陵地貌,主要由近南北向山脊及其两侧宽缓沟谷组成,包顶宽约20~30m,地形平缓,整体坡度约5~10°,侧坡坡度约20~30°,沟谷呈梯田状,整体坡度约10~15°。场地高程约390~430m,相对高差约40m。场地植被发育,沟谷多为水田,山脊处以杂树及果树为主。场地内及周边分布村民房屋,需搬迁民房约13户及500m长110kV架空输电线。
根据《中国地震动参数区划图》GB18306-2015,该厂址在Ⅱ类场地条件下地震动峰值加速度为0.05g,在Ⅱ类场地条件下特征周期为0.40s。
厂址不受沱江和附近河流100年一遇洪水位影响。
厂址及附近区域经现场踏勘无地表文物、无军事设施、无自然保护区、无文物古迹及保护单位。经矿区范围重叠检查,厂址未压覆矿产资源。
3、主厂房结构设计优化
3.1提出问题
主厂房结构的优化设计,是在满足工艺布置的基础上,对主厂房结构选型和结构体系进行优选论证。同时,充分借鉴国内外的先进设计思想,应用先进的设计手段和方法,采用新思维、新技术、新工艺,进行多方案优化比较,以达到满足生产运行、检修维护便利、缩短施工周期、节省工程量、控制工程造价,实现“更先进、更可靠、更经济”的设计目标,使业主以合理的投资获得最佳的经济效益和社会效益。努力打造一个高质量、低造价、低运行成本的优秀设计。
设计的主要原则是:在满足国家及行业有关规程规范的前提下,做到主厂房结构选型安全可靠、技术先进、结构布置合理、节约投资、便利施工的目的。
遵循所设计的主厂房结构应能达到“高速度、高质量、低造价,在设计方面技术先进合理的同时,还应充分考虑施工阶段的情况,使设计成果方便施工,缩短工期,质量容易保证,实现工程整体的优势,展示现代化新型电厂的风范。
我们将根据主厂房在工艺布置方面的特点,结合厂址区自然条件(抗震设防烈度6度(0.05g),场地土类别Ⅱ类),就采用钢筋混凝土结构和钢结构厂房,在耐腐蚀、耐火性能、今后运行中的维护工作量及工程造价等方面进行综合比较,最终确定适合本工程主厂房的结构型式。
3.2 主厂房工艺布置
主厂房采用发电机间、燃气(蒸汽)轮机间联合布置方案。主厂房按两台单轴联合循环机组设计,两套机组集中并列布置。燃气轮机、蒸汽轮机、发电机及其辅助系统布置在主厂房内。主厂房考虑单跨布置,跨度为65m,柱距9m~18m,燃机跨柱距18m。两套机组之间设置一道伸缩缝,总长度105m,屋面最高标高约40.500m;主厂房内设置1台140t桥式吊车及一台100t桥式吊车,轨顶标高分别为27.5m。
3.3 主厂房结构选型的主要原则
主厂房是电厂的核心建筑。其设计直接关系到电厂的安全经济运行、检修维护和工程造价。因此对主厂房进行优化,降低工程造价,是十分必要的。应采用新思维、新技术、新工艺,进行优化分析,以达到满足生产运行、检修维护便利、缩短施工周期、节省工程量、控制工程造价的目的,实现“更先进、更可靠、更经济”的设计目标,使业主以合理的投资获得最佳的经济效益和社会效益。
主厂房结构体系应符合下列要求:
(1)具有明确的计算简图和合理的抗风作用传递途径。
(2)有多道抗震防线,具备必要的抗震承载力,良好的变形能力和消耗地震能量的能力。
(3)具有合理的刚度和承载力分布,在两个主轴方向的动力特性宜相近。
(4)对可能出现的薄弱部位,应采取有效的措施提高抗震能力。
3.4 结构选型分析
3.4.1 概述
针对本工程的厂房布置特点,我们从国家和行业的有关规范、规程以及相关的科研成果着手,结合现场的地震和地质条件,以科学的、实事求是的态度,对钢结构和钢筋混凝土结构的可行性进行分析和技术经济比较,提出意见和建议。
3.4.2 钢筋混凝土结构与钢结构两种型式的比较
3.4.2.1 钢筋混凝土结构厂房
3.4.2.1.1 优点
a)应用广泛,技术成熟,施工管理不断完善,施工质量也不断提高;可根据工期及场地情况,灵活选择预制或现浇结构。
b)可与钢结构组合使用,充分发挥钢结构和混凝土结构各自的特点,有利于缩短工期,又降低工程造价。
3.4.2.1.2 缺点
a)厂房结构自重大,产生的地震作用较大,钢筋混凝土厂房的基础费用比钢结构厂房的基础高。
b)施工受气候条件影响较大,施工工期较长。
c)梁柱截面均比钢结构大,这样给工艺布置带来较多不利影响,可能导致厂房高度提高、跨度加大,厂房体积增大,费用增加。
3.4.2.2 钢结构厂房
3.4.2.2.1 优点
a)钢材具有很好的延性,抗震性能好;钢材的高强度可以大大减轻厂房的结构自重,减小地震作用的影响,减少基础的建设费用,具有较高的性价比。
b)提高厂房的有效利用面积。由于钢材强度较高,使得构件的截面减小,故可提高厂房的有效利用面积和体积。
钢结构由于自重轻,可以减小基础底面积尺寸,节省混凝土用量,据有关资料介绍,采用自重轻的钢结构,可使基础混凝土量减少30%左右。
c)节点连接简单可靠、受力明确。
3.4.2.2.2 缺点
a)造价较钢筋混凝土厂房高。
b)耐火性能不如钢筋混凝土厂房。
c)支撑的设置妨碍工艺设备及管道的布置。
3.4.2.3 两种结构形式的比较表
表3.4.2-1 钢筋混凝土结构与钢结构的比较
项目 | 钢筋混凝土结构 | 钢结构 |
横向结构体系 | 由主厂房柱、钢屋架、各层平台梁柱组成框排架结构,承受竖向及横向水平荷载作用 | 由主厂房柱、钢屋架、各层梁柱组成框排架结构,承受竖向及横向水平荷载作用。 |
纵向结构体系 | 由纵梁、各列柱组成框架结构,承受纵向水平荷载作用 | 由纵梁、各列柱、纵向柱间支撑组成框架结构,承受纵向水平荷载作用。 |
屋面 | 钢屋架+压型钢板轻型屋面板。 | 同左 |
楼面 结构 | 楼面采用钢梁+压型钢板底模混凝土现浇板结构或上铺格栅板 | 同左 |
山墙 结构 | 利用平台柱上伸形成山墙抗风柱,与屋面体系设置必要的连接,为避免影响吊车运行,不设水平抗风桁架,风荷载由山墙柱承受并分别传到运转层楼面及屋面系统 | 同左 |
通过上表的对比可以看出,钢筋混凝土结构除主梁柱采用混凝土结构以外,其它部分基本同钢结构。
3.4.3 两种结构型式在本工程的适用性分析
从建设场地条件来讲,本工程的地震和地质条件较好。拟建场地地震动峰值加速度为0.05g,抗震设防烈度6度,场地土类别为Ⅱ类建筑场地,属于抗震不利地段。按照《建筑抗震设计规范》的规定,抗震设防烈度为6度时:钢筋混凝土框架结构适用的最大高度为60m;框架结构的钢结构房屋适用的最大高度为110m,框架-中心支撑结构的钢结构房屋适用的最大高度为220m。可见,从地震和地质条件分析,主厂房采用混凝土结构或钢结构都是可行的。
3.4.4 两种结构型式在本工程的经济性分析
3.4.4.1 钢筋混凝土结构计算
采用现浇钢筋混凝土结构时,利用中国建筑科学研究院编制的PKPM系列三维空间结构设计软件对主厂房进行初步计算分析:框架采用C35~C40混凝土,钢筋采用HRB400级钢筋,计算结果满足规程、规范的要求。
3.4.4.2 钢结构计算
钢结构主厂房计算分析采用STAAD/CHINA空间有限元设计计算软件,框架梁、柱、支撑与钢梁现浇板协同工作整体分析,求得构件合理断面,有利于减少结构自重,并具有较好的抗震能力及抗变形能力。
3.4.4.3 两种结构型式的经济性比较结果
现浇钢筋混凝土结构现场劳动强度大,工种多,需要较多劳动力,又受混凝土养护时间的限制,施工工期相对较长。钢结构构件大多数在工厂制作,现场拼装,连接方便,可缩短工期。
从施工角度来看,现浇钢筋混凝土结构土建现场施工工期较钢结构长,一般会比钢结构主厂房的施工工期长3个月左右。
从初期投资及日常维护成本来看:主厂房采用钢结构比采用混凝土结构初投资约高30%;钢筋混凝土结构耐腐蚀、防火性能好,基本不存在日常维护的问题,钢结构构件长期暴露于空气或潮湿的环境中,表面就要锈蚀,施工完毕后,存在长期防锈蚀、防火的维护工作,维护工作量大,成本高。
由以上论述:本工程主厂房采用钢筋混凝土结构及钢结构,在技术上都是可行的。
4.结论
a)本工程的地震和地质条件对主厂房结构的选型是很有利的,无论采用钢结构或钢筋混凝土结构都是可行的,也是适用的。
b)钢结构具有的优势为施工周期短、结构自重轻。而混凝土结构的优势为节约投资。
综上所述,遵照“经济适用、系统简单、备用减少、安全可靠、以人为本”的原则,本工程主厂房从结构设计的优化、工程造价合理及满足工期要求的角度,推荐主厂房采用钢筋混凝土结构方案。
参考文献:
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