混凝土框架廠房的抗震設(shè)計

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一、主廠房布置特點

? ? 火力發(fā)電廠主廠房屬于熱力生產(chǎn)車間，工藝布置要求盡量緊湊，廠房結(jié)構(gòu)選型和結(jié)構(gòu)體系首先要 ? ?根據(jù)工程工藝布置特點，并結(jié)合工程地質(zhì)和抗震設(shè)防等要求綜合考慮，以保證實現(xiàn)工程項目“安全經(jīng)濟、技術(shù)進步、控制工程造價、提高經(jīng)濟效益”的最終目標。

? ? 多年來火電廠主廠房主要采用四列式前煤倉方案。該方案汽機房、除氧間、煤倉間、鍋爐房順列布置，汽機房、除氧間、煤倉間形成所謂的“四列式”主廠房聯(lián)合結(jié)構(gòu)體系。

? ? 經(jīng)過工藝專業(yè)設(shè)計優(yōu)化比較，近幾年主廠房布置出現(xiàn)三列式前煤倉方案和側(cè)煤倉方案。

? ? 三列式前煤倉方案：汽機房、煤倉間、鍋爐房順列布置，汽機房、單跨煤倉間形成所謂的“三列式”主廠房單跨框-排架結(jié)構(gòu)體系。取消除氧間的三列式主廠房布置方式，主廠房體積明顯減小，設(shè)備布置緊湊，初期建設(shè)投資效益是顯著的。對于循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電機組的廠房更有必要性。但三列式前煤倉運行檢修通道及場地相對較小。

? ? 側(cè)煤倉方案：煤倉間采用集中側(cè)煤倉，布置在2臺鍋爐之間。與前面的汽機房及除氧間脫開布置，各自形成獨立結(jié)構(gòu)。汽機房和除氧間順列布置，也形成所謂的“三列式”主廠房單跨框-排架結(jié)構(gòu)體系。


二、主廠房鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的薄弱環(huán)節(jié)

? ? 火電廠主廠房鋼筋混凝土單跨框-排架結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)件截面尺寸選擇，主要取決于工藝系統(tǒng)和設(shè)備布置，經(jīng)常出現(xiàn)樓面標高錯層、平面布置不規(guī)則、縱向不等跨、高度方向布置不規(guī)則，與抗震概念設(shè)計有較大距離。所以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一些抗震概念設(shè)計方面的先天性薄弱環(huán)節(jié)。

? ? 1）①火電廠主廠房鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)布置特點，存在“強梁弱拄”、“短柱”、“異形節(jié)點”的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)在強震時不能實現(xiàn)“大震不倒”，是嚴重違背結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則的，在結(jié)構(gòu)抗震概念中是不允許的。②煤斗大梁截面往往比柱大得多，結(jié)構(gòu)體系中必然出現(xiàn)“強梁弱柱”?！皬娏喝踔簟苯Y(jié)構(gòu)體系在強震時柱上先出現(xiàn)塑性鉸，不能實現(xiàn)“大震不倒”，樓面標高錯層造成框架柱出現(xiàn)“短柱”，“短柱”在強震時會出現(xiàn)脆性破壞，引起結(jié)構(gòu)體系倒塌。③樓面上工藝設(shè)備的嚴重不均勻，造成框架同一個節(jié)點上的柱和梁斷面差異大，節(jié)點的剛域很難準確量化，在強震時會首先出現(xiàn)破壞。

? ? 上述薄弱環(huán)節(jié)是主廠房鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)避免不了的，目前還沒有找到明確的解決辦法，只是默認了過去的經(jīng)驗和研究成果，過去建成的主廠房鋼筋混凝土框架已經(jīng)經(jīng)過多種強震的考驗是安全的，在工程設(shè)計和審核中目前不作深究。

? ? 2）主廠房鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)高度超限。對于600MW/1000MW機組主廠房的煤倉間框架結(jié)構(gòu)高度一般為50～55m，主廠房鋼筋混凝土框架屬乙類建筑，按抗震規(guī)范的規(guī)定，可能出現(xiàn)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)高度超限。但是，規(guī)范的條文說明指出：超過表列高度的房屋，應(yīng)進行專門研究和論證，采取有效的加強措施。在工程設(shè)計中，只要說明采取的有效加強措施，也就無可非議了。

? ? 3）平面布置不規(guī)則對結(jié)構(gòu)抗震特別不利。供熱機組的主廠房，A列外有披屋時，工程設(shè)計中往往單從管道布置經(jīng)濟一些而采用披屋和汽機房連在一起，每一個結(jié)構(gòu)單元的平面嚴重不規(guī)則，在高烈度地震區(qū)對結(jié)構(gòu)抗震非常不利。采用主廠房每臺機一個結(jié)構(gòu)單元，披屋單獨一個結(jié)構(gòu)單元，對結(jié)構(gòu)抗震肯定好一些。

? ? 4）主廠房鋼筋混凝土單跨框-排架結(jié)構(gòu)體系。汶川大地震后，針對震區(qū)學(xué)校、醫(yī)院等民用房屋采用單跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系，在此次強震作用下破壞較多，《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》特別補充了“……高層的框架結(jié)構(gòu)不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)，多層框架結(jié)構(gòu)不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)。”嚴格控制鋼筋混凝土單跨框架結(jié)構(gòu)適用范圍的要求。

? ? 甲、乙類建筑以及高度大于24m的丙類建筑，不應(yīng)采用單跨框架結(jié)構(gòu)，高度不大于24m的丙類建筑不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土單跨框-排架結(jié)構(gòu)體系在主廠房，鋼筋混凝土單框架結(jié)構(gòu)在輸煤棧橋、轉(zhuǎn)運站中是避免不了。在立交橋和橋梁橋墩工程中還經(jīng)常出現(xiàn)單榀單跨或單柱混凝土結(jié)構(gòu)體系。

? ? 在工程審查和設(shè)計中如何理解，上述規(guī)定在主廠房鋼筋混凝土單跨框-排架結(jié)構(gòu)體系中能不能采用，如何控制結(jié)構(gòu)的安全度，如何確定抗震構(gòu)造措施?


三、鋼筋混凝土框-排架結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)計規(guī)定的合理判斷

? ? 在電力結(jié)構(gòu)工程和其他工業(yè)建筑中，不可避免地會遇到鋼筋混凝土單框架結(jié)構(gòu)體系。

? ? 1）現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范的適用范圍。按照規(guī)定，行業(yè)有特殊要求的工業(yè)建筑，其抗震設(shè)計應(yīng)按照有關(guān)專門規(guī)定執(zhí)行。工業(yè)建筑中，一些因生產(chǎn)工藝要求而造成的特殊問題的抗震設(shè)計，與一般建筑工程不同，需由有關(guān)的專業(yè)標準予以規(guī)定。規(guī)定中的“高層”和“多層”是指房屋建筑。而工業(yè)廠房在該規(guī)范中只提到“單層工業(yè)廠房”和“多層鋼結(jié)構(gòu)廠房”以及現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)房屋適用的高度限制。

? ? 發(fā)電廠主廠房現(xiàn)在采用的三列式單跨框架結(jié)構(gòu)體系，實際上是多層框排架鋼筋混凝土工業(yè)廠房，而且在B-C框架結(jié)構(gòu)中增加了相關(guān)的柱間支撐，加強了樓面和汽機房屋面的剛度，在抗震能力方面優(yōu)于純框架體系，所以發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)一般不要機械地按高層鋼筋混凝土房屋的抗震要求對待。電力土建行業(yè)在《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》中，考慮到火力發(fā)電廠主廠房的結(jié)構(gòu)特點，對規(guī)范條文深入理解合理判斷，沒有簡單機械地套用建筑抗震設(shè)計規(guī)范的有關(guān)條款，而在抗震部分增加“發(fā)電廠多層及以上建(構(gòu))筑物不宜采用單跨框架結(jié)構(gòu)。當采用單跨框架結(jié)構(gòu)時，應(yīng)采取提高結(jié)構(gòu)安全度的可靠措施”。

? ? 2）單框架與雙框架結(jié)構(gòu)在承載能力設(shè)計控制。方面沒有差別，只是結(jié)構(gòu)在抗震設(shè)計中反映出結(jié)構(gòu)整體的“魯棒性”的差異，但是“魯棒性”又不可能量化，只是反映在結(jié)構(gòu)的布置和構(gòu)造方面。雙框架結(jié)構(gòu)存在“短柱”、“異形節(jié)點”的機會還多一些，在高烈度地震區(qū)的單框架結(jié)構(gòu)只要注意結(jié)構(gòu)布置合理和加強構(gòu)造措施，也可以滿足結(jié)構(gòu)安全要求。單跨框架或多跨框架結(jié)構(gòu)體系在結(jié)構(gòu)安全性、抗震性能的設(shè)計采用的是同一種標準。根據(jù)這一標準，單跨框架結(jié)構(gòu)與多跨框架結(jié)構(gòu)在構(gòu)件承受同樣的荷載和工況下承載能力是一樣的。一旦單跨框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件發(fā)生破壞，多跨框架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件也會發(fā)生破壞。通過合理調(diào)整縱橫向抗側(cè)力剛度的單跨框架結(jié)構(gòu)在本質(zhì)上不屬于存在先天不足的不規(guī)則結(jié)構(gòu)體系，增大構(gòu)件截面和提高配筋率可以有效地提高建筑物的安全裕度。

? ? 3）汶川震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)，工業(yè)廠房中單跨鋼筋混凝土框架破壞并不突出，因為工業(yè)建筑在地震發(fā)生時生產(chǎn)運行并處于最不利的設(shè)計荷載工況的幾率小一些，同時工業(yè)建筑(構(gòu))物構(gòu)件斷面、樓面等空間剛度的實施方面考慮也比較充足一些。其次，民用建筑物出于使用功能的要求，框架柱斷面在兩個方向尺寸相差不會太大，由于單框架結(jié)構(gòu)體系的建筑物縱向跨數(shù)較多，造成建筑物縱橫向剛度相差很大，導(dǎo)致兩個方向抗震特性差異較大，地震時建筑物單跨方向破壞容易發(fā)生。而火力發(fā)電廠主廠房可以調(diào)整抗側(cè)力構(gòu)件兩個方向的剛度，單跨方向柱的截面大得多，使兩個方向的動力特性相近，盡可能減小建筑物的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，減少了建筑單跨方向的不利因素。

? ? 4）對于側(cè)煤倉布置方案的煤倉間框架以及輸煤轉(zhuǎn)運站，當采用單跨鋼筋混凝土框架時需要設(shè)置支撐或?qū)捯碇岣呖拐鹉芰?。在設(shè)計單跨鋼筋混凝土框架時，可參考UBC有關(guān)條款的做法，將主要構(gòu)件斷面的設(shè)計承載能力提高10%左右。


四、可以采取的提高結(jié)構(gòu)安全度的可靠措施

? ? 1）主廠房橫向采用汽機房與煤倉間構(gòu)成鋼筋混凝土單跨框-排架結(jié)構(gòu)形式，縱向A列采用框架加鋼支撐結(jié)構(gòu)，BC列采用框架結(jié)構(gòu)，橫向采用汽機大平臺結(jié)構(gòu)與主廠房A、B排柱鉸接或剛性連接。主廠房縱向采用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，剪力墻位于縱向框架的中部，柱間采用雙縱梁形式;汽機房屋面采用壓型鋼板底模-現(xiàn)澆鋼筋混凝土板的結(jié)構(gòu)形式，增強了結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力性能，提高了結(jié)構(gòu)的整體抗扭能力。主要構(gòu)件斷面設(shè)計承載能力提高5%～10%。

? ? 2）主廠房基礎(chǔ)設(shè)計時采用對不均勻沉降有利的型式，適當加大基礎(chǔ)剛度，有效地提高地基基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用。

? ? 3）對多遇及罕遇地震進行分析計算，多遇地震作用下結(jié)構(gòu)橫向的最大層間位移角應(yīng)滿足規(guī)范限值1/550;罕遇地震作用下，按實際配筋復(fù)核驗算橫向框排架薄弱層，彈塑性層間位移角滿足規(guī)范規(guī)定限值1/50。

? ? 4）梁、柱截面確定合理，框架柱軸壓比應(yīng)控制在不大于0.7。使框架結(jié)構(gòu)柱軸壓比滿足規(guī)范要求，并留有裕度。設(shè)計過程中詳細分析工藝布置，做到結(jié)構(gòu)豎向連續(xù)布置，力求減少各層間剛度的差異，以防形成薄弱層;合理確定梁柱截面。

? ? 5）通過與工藝配合對主廠房采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案所可能出現(xiàn)的對抗震不利的因素如短柱、錯層、薄弱層、異型節(jié)點等，進行計算分析。在“短柱”范圍內(nèi)箍筋通長加密，并采用配置對角斜筋來提高其延性，實際配置對角斜筋比規(guī)范建議值有富裕。同時柱截面體積配箍率比計算所需值高出30%左右，增強了框架結(jié)構(gòu)的延性和抗剪能力。

? ? 6）框架柱實際配筋比計算配筋值提高5%～10%，增加了框架柱的承載能力。

? ? 7）汽機房屋架與柱牛腿的連接以及汽機大平臺梁與A、B列框架柱的連接，采取加強措施，必要時采用剛接。在高烈度地震地區(qū)，汽機房屋架與柱牛腿的連接應(yīng)加強，可在柱中埋設(shè)型鋼，然后與屋架焊接，形成剛性連接。


五、結(jié)論和建議

? ? 1）根據(jù)多次審查會議紀要專家意見，在高烈度地震區(qū)建議不采用鋼筋混凝土單跨框-排架結(jié)構(gòu)體系，一般情況下也不推薦采用三列式框-排架結(jié)構(gòu)體系。當設(shè)防烈度為7°，場地土類別為Ⅱ類及以下時，主廠房可以采用三列式框-排架結(jié)構(gòu)體系，但應(yīng)采取提高結(jié)構(gòu)安全度的可靠措施。當設(shè)防烈度為7°，場地土類別為Ⅲ類及以上時，主廠房不要采用三列式單跨鋼筋混凝土框-排架結(jié)構(gòu)體系。

? ? 2）建議電力工程設(shè)計系統(tǒng)盡快編制三列式單跨鋼筋混凝土框-排架主廠房結(jié)構(gòu)體系的有關(guān)設(shè)計原則和提高結(jié)構(gòu)安全度的具體措施，作為《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》的補充或單行的設(shè)計用指導(dǎo)性文件，便于指導(dǎo)主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計，也可以作為初步設(shè)計和施工設(shè)計審查的參考依據(jù)。

? ? 3）對于電力建設(shè)中的特殊結(jié)構(gòu)工程研究采用結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能設(shè)計方法。

? ? 4）建議研究提高三列式單跨鋼筋混凝土框-排架主廠房結(jié)構(gòu)體系抗震能力的有效措施。繼續(xù)安排專題研究，從結(jié)構(gòu)體系和構(gòu)件設(shè)計方面提出新方案，解決鋼筋混凝土框-排架主廠房結(jié)構(gòu)中存在“強梁弱柱”、“短柱”、“異形節(jié)點”的抗震薄弱環(huán)節(jié)。