闞原媛，李飛舟

(新疆電力設(shè)計院，新疆 烏魯木齊 830002)

1 概述

隨著火電機組建設(shè)向著大容量、高參數(shù)的趨勢發(fā)展，電廠主廠房結(jié)構(gòu)的體量也越來越大，結(jié)構(gòu)高度和長度也越來越大。而目前電力設(shè)計行業(yè)內(nèi)大型火力發(fā)電廠包含600MW以上的主廠房采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)也越來越多。由于發(fā)電機組及設(shè)備的布置要求，大型發(fā)電廠主廠房的長度通常會可能會超出規(guī)范的限制。根據(jù)實際已經(jīng)投運的電廠來看，結(jié)構(gòu)長度超過90m，甚至是100m的電廠主廠房結(jié)構(gòu)單元也不在少數(shù)。因此，發(fā)電廠的主廠房成為長度超過規(guī)范允許限值的超長結(jié)構(gòu)，對其溫度效應(yīng)進行分析，研究其裂縫控制措施是具有實際工程意義的課題之一。

2 框架內(nèi)力溫度計算的必要性

以往的觀念認為，解決超長框架結(jié)構(gòu)過大溫度應(yīng)力問題的唯一方法就是設(shè)置伸縮縫，但是設(shè)置溫度伸縮縫帶來了下列問題：

(1)由于主廠房框架結(jié)構(gòu)一般不能將伸縮縫貫穿單個機組單元，因此對于600MW等級以上的兩臺機組的主廠房，如果要保證結(jié)構(gòu)單元長度不超過《土規(guī)》的75m規(guī)定，只能把兩臺機組之間的3～4個柱距單獨作為一個結(jié)構(gòu)單元 ，這樣的做法降低了框架的縱向剛度，當?shù)卣鹆叶缺容^高時會造成設(shè)計上的困難。

(2)在設(shè)置伸縮縫位置需要采取雙排框架，處理上增加了工程造價。

(3)設(shè)置溫度伸縮縫就必須按照抗震縫的寬度進行設(shè)置，但是新版的《抗規(guī)》認為“震害表明規(guī)范規(guī)定的防震縫寬度，在強烈地震下相鄰結(jié)構(gòu)仍可能局部碰撞而損壞?！钡强p寬加大，又會造成建筑處理的困難，引起滲漏。

在目前已投運的電廠里，絕大部分主廠房框架單元的長度都超過了《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定》的75m的限制值，其中50%左右超過了85m，個別電廠甚至超過了100m。如浙江國華寧海二期電廠(2×1000MW)工程主廠房結(jié)構(gòu)單元長度為110m，華能海門電廠(2×1000MW) 主廠房結(jié)構(gòu)單元長度為104m。而對于超長結(jié)構(gòu)，必須充分考慮由于溫度應(yīng)力及混凝土收縮等間接作用引起的結(jié)構(gòu)效應(yīng)，經(jīng)過充分的計算論證，采取相應(yīng)的措施，才能保證結(jié)構(gòu)的安全性能。

3 溫度內(nèi)力計算原理分析

3.1 溫度內(nèi)力的分布規(guī)律

溫度作用產(chǎn)生的主要原因是框架梁由于溫差或混凝土收縮特性產(chǎn)生的變形受到框架柱的限制，從而引起柱子的側(cè)向變形，相應(yīng)在梁構(gòu)件和柱構(gòu)件上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)內(nèi)力。

圖1 主廠房框架縱梁彎矩內(nèi)力分布

圖2 主廠房框架柱彎矩內(nèi)力分布

溫度應(yīng)力或內(nèi)力的計算與外荷載作用下的內(nèi)力計算不同，溫度應(yīng)力的大小直接取決于框架柱約束剛度的大小。因此溫度內(nèi)力比較大的構(gòu)件一般都是在約束剛度最大的部位附近，如靠近基礎(chǔ)的部分，靠近抗震墻或鋼支撐的部位，而其他部位的溫度內(nèi)力很快衰減為很小的值，可以不用考慮。對于框架結(jié)構(gòu)而言，溫度效應(yīng)主要對底層框架梁產(chǎn)生軸力內(nèi)力和彎矩內(nèi)力，對底層框架柱產(chǎn)生彎矩內(nèi)力。

3.2 溫度內(nèi)力的計算理論

當結(jié)構(gòu)材料為彈性材料時，溫度內(nèi)力的計算方法比較簡單，直接可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的剛度矩陣和材料的溫度膨脹系數(shù)建立線性平衡方程組即可以求解除結(jié)果。如目前的PKPM軟件就能直接求解除彈性溫度內(nèi)力。但是此種方法求出的內(nèi)力值過高地估計了溫度效應(yīng)，需配置較多的鋼筋，有時達到難以置信的程度。

實際上鋼筋混凝土材料本身屬于非線性材料，在溫度產(chǎn)生變化的過程中，混凝土構(gòu)件會產(chǎn)生裂縫，同時混凝土又具有收縮和徐變的特性，因此實際剛度與最初采用剛度有較大改變，因此彈性分析得到的溫度(收縮)效應(yīng)與實際的溫度(收縮)效應(yīng)有較大差異。

圖3 彈性分析方法和非線性分析的結(jié)果比較

圖3是采用鋼筋混凝土材料本構(gòu)關(guān)系進行非線性分析得出的混凝土框架構(gòu)件在一個溫度變化周期內(nèi)產(chǎn)生的溫度內(nèi)力，四條曲線反應(yīng)了彈塑性分析方法和彈性分析所得到的結(jié)果區(qū)別，其中曲線a表示按彈性計算得到的結(jié)果，曲線d表示按彈塑性分析得到的結(jié)果(考慮混凝土徐變和開裂)。

從圖中可以看出，隨著溫度作用周期內(nèi)時間的增長，由于混凝土非線性材料特征的影響，結(jié)構(gòu)構(gòu)件溫度內(nèi)力的增長并不是隨著溫度成正比例增長，并且相對于彈性分析有相當大的折減。

3.3 溫度內(nèi)力的簡化計算方法

非線性分析方法可以綜合考慮混凝土材料收縮，徐變和其他非線性因素的影響，可以采用有限元軟件有NASTRAN，ANSYS，ABQUS等軟件進行分析，但是對于工程涉及而言，計算量大，考慮因素較多，無法為一般設(shè)計人員所掌握，因此目前常見的分析方法仍舊以彈性計算方法為主，但是要考慮由于混凝土開裂和徐變導(dǎo)致的混凝土剛度折減。

行業(yè)內(nèi)較有代表性和應(yīng)用較廣泛的溫度計算方法是王鐵夢教授提出的“分跨總和法和復(fù)旦大學(xué)劉開國教授提出的 “四△方程法及其微分解”。這兩種方法都是針對桿系構(gòu)件在考慮裂縫和徐變因素影響后針對構(gòu)件剛度進行一定程度的折減后，采用彈性方法進行簡化計算方法，在我國工程界得到了非常廣泛的應(yīng)用。

3.4 框架梁和柱的抗彎剛度折減系數(shù)

在《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中給出了在荷載作用下的結(jié)構(gòu)的長期剛度的計算公式，該公式反應(yīng)了結(jié)構(gòu)在存在裂縫的情況下的抗彎剛度的折減情況，可以根據(jù)此式計算抗彎剛度的折減系數(shù)。

響抗彎剛度折減系數(shù)大小的因素有構(gòu)件的配筋率、混凝土強度等級。我們通過對比在各種典型斷面尺寸、不同混凝土強度和不同配筋率的情況，得出以下規(guī)律：

(1)構(gòu)件無論斷面尺寸和材料參數(shù)，影響折減系數(shù)最根本的因素實際上是裂縫寬度或者鋼筋應(yīng)力的大小，鋼筋應(yīng)力大，裂縫寬度寬，則抗彎剛度的折減系數(shù)就明顯降低。

(2)根據(jù)計算結(jié)果，在框架梁的配筋率(受拉側(cè)鋼筋) 控制在0.6%～1.5%時，其鋼筋應(yīng)力的大小在0.06mm～0.3mm之間，抗彎剛度折減系數(shù)在0.26～0.52之間變化。

(3) 目前大多數(shù)施工圖中混凝土框架底部兩層的配筋率范圍大致都在0.8%～1.2%之間，按當裂縫寬度按照0.2mm～0.25mm進行控制時，根據(jù)內(nèi)插法可以得出框架梁的抗彎剛度折減系數(shù)取0.30～0.35之間.

框架柱與框架梁相比有所不同，框架柱屬于壓彎構(gòu)件和框架梁基本上屬于純彎構(gòu)件，因此對于同樣大小的彎矩來說，框架柱的鋼筋應(yīng)力相對較小，即裂縫寬度值也比梁要小，因此抗彎剛度折減系數(shù)應(yīng)該比框架梁要大。由于框架柱承受較大的軸力，且在豎向荷載作用下的彎矩值一般不大，因此框架柱的偏心距一般不會超過0.55h0，一般很少出現(xiàn)裂縫，因此在抗彎剛度折減上一般只考慮徐變的影響。按照規(guī)范要求，考慮荷載長期作用對的折減系數(shù)θ可按下列規(guī)定取用:

當ρ'=0時，取θ=2.0；當ρ'=ρ時，取θ=1.6

因此框架柱的剛度折減系數(shù)=1/1.6=0.625。我國《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL191－2008)中第11.3.3條規(guī)定“分析鋼筋混凝土框架在溫度作用產(chǎn)生的內(nèi)力時，構(gòu)件的剛度應(yīng)取開裂后的實際剛度。可采用混凝土開裂后剛度分段變化的非線性分析方法或其他降低構(gòu)件剛度的近似方法。對框架梁可取全截面剛度的0.2倍～0.4倍，對于框架柱可取全截面剛度的0.4倍～0.6倍.” 上述分析得到的結(jié)論與該規(guī)范非常一致。

3.5 綜合設(shè)計溫差的取值

混凝土自開始澆筑，到投入正常使用，一直到結(jié)構(gòu)使用期結(jié)束，整個期間伴隨著混凝土的長期收縮產(chǎn)生的收縮內(nèi)力和由外界溫度變化產(chǎn)生的溫差內(nèi)力。因此溫度內(nèi)力實際上是由混凝土自收縮和季節(jié)溫差兩部分構(gòu)成。

(1) 收縮當量溫差

在工程界的計算方法中，通常將收縮內(nèi)力通過在一定時期內(nèi)的混凝土收縮量按照下式折算成溫差，此溫差簡稱為收縮當量溫差。

式中：a為混凝土線膨脹系數(shù)，εy(t)為任一時刻混凝土的收縮應(yīng)變，上式反應(yīng)了收縮應(yīng)變?yōu)殡S時間變化的函數(shù)，其產(chǎn)生的當量溫差效應(yīng)為過程較長的長期效應(yīng)。

《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL191－2008)，在混凝土澆筑初期，還應(yīng)考慮因濕度變化引起的混凝土干縮對結(jié)構(gòu)的影響?；炷粮煽s變化在初估時可以將混凝土的干縮影響折減為10℃～15℃的溫降。我們的計算結(jié)果基本上與規(guī)范能夠保持一致。所以收縮當量溫差統(tǒng)一取15℃。

(2) 季節(jié)溫差

參照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(SL191－2008)和《機械工廠結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JBJ8－97)的有關(guān)規(guī)定，設(shè)計溫差取框架封閉時的溫度與運行期間可能遇到的最高或最低多年月平均溫度的均勻溫差，計算氣溫取該地區(qū)歷年最熱月或最冷月的平均溫度。

將收縮當量溫差與外界溫度變化產(chǎn)生的溫差進行疊加為綜合溫差，然后就可以根據(jù)綜合溫差進行溫度內(nèi)力的計算了。

(3) 電廠主廠房框架綜合溫差的取值

由于電廠主廠房框架的施工周期較長，一般從基礎(chǔ)澆筑開始到結(jié)構(gòu)封頂需要跨年度施工，因此框架從澆筑開始到正常運行階段分為兩個階段：

第一個階段即施工期間，主要產(chǎn)生收縮應(yīng)力，但是施工期較長時還有溫差應(yīng)力，此時結(jié)構(gòu)中只有自重荷載，如下圖中的第一年的7月到來年的7月之間的部分。此時混凝土結(jié)構(gòu)基本上是露天布置在室外，與室外大氣直接接觸，所以外部溫差比較大，收縮應(yīng)力完成了大部分收縮。

圖5 綜合溫差

第二階段是結(jié)構(gòu)投運后的階段，在圖中表達為第二年7月之后的部分，此時結(jié)構(gòu)上的荷載已經(jīng)施加完畢，此時混凝土收縮已經(jīng)完成大部分，因此收縮應(yīng)力所占的比重比較小，而溫度應(yīng)力主要是由投運后的季節(jié)溫差控制的。但是此時結(jié)構(gòu)外圍護和采暖設(shè)施也已投運，投運后的溫差已經(jīng)有較大幅度的衰減。因此綜合溫差取值為全部收縮當量溫差加上室外氣溫的最熱月月平均氣溫與采暖設(shè)計最低要求溫度的差值。

4 實際工程溫度內(nèi)力計算結(jié)果

某2×1000MW工程的主廠房框架結(jié)構(gòu)，單元計算長度為90m。歷年最高月(7月)平均氣溫25.1℃，歷年最低月(1月)平均氣溫(-14.5℃)。按照最不利的工況考慮，假定框架在當年7月份開始施工，來年7月圍護工程竣工并且采暖設(shè)施開始運行。

計算軟件采用SAP200，計算溫度內(nèi)力時對框架梁柱構(gòu)件按照前述的方法進行相應(yīng)的剛度折減。

季節(jié)溫差＝25.1＋14.5=40℃，施工期間混凝土收縮當量溫差15℃。

因此第一階段的綜合溫差為55℃。

第二階段綜合溫差為25-5+15=35℃

(1) 第一階段抗裂(施工期)：通過前面的計算方法，框架結(jié)構(gòu)在55℃綜合溫差下的梁軸力為820kN，而實際全截面通長配筋率為1.3%，此時由于沒有安裝設(shè)備，縱向框架梁僅承擔(dān)自重，因此可按軸拉構(gòu)件進行計算，驗算結(jié)構(gòu)裂縫寬度為0.1mm，滿足抗裂要求。

5 結(jié)論

(1) 大型發(fā)電廠主廠房的長度通常會可能會超出規(guī)范的限制，對其溫度效應(yīng)進行分析，經(jīng)過充分的計算論證，采取相應(yīng)的措施，才能保證結(jié)構(gòu)的安全性能。

(2)彈性溫度內(nèi)力得出的結(jié)果沒有反應(yīng)混凝土材料本身的特點，計算結(jié)果偏大，不能直接用于設(shè)計。

(3)計算溫度內(nèi)力時，可采用考慮剛度折減的彈性計算方法，以考慮混凝土開裂和徐變對溫度內(nèi)力的影響。

(2) 第二階段抗裂(投運期)：框架結(jié)構(gòu)在35℃綜合溫差下的梁軸力為550kN，此時設(shè)備已經(jīng)安裝完成，荷載已經(jīng)全部施加，因此將溫度產(chǎn)生的軸力與其他荷載進行標準組合，再按拉彎構(gòu)件進行驗算，得出裂縫寬度為0.4mm，超出規(guī)范限值，因此需增加溫度鋼筋，因此支座需考慮對結(jié)構(gòu)底層梁增加貫通的上部鋼筋。當上部貫通鋼筋面積增加到3600mm2(單根縱梁)，可以滿足0.29mm的裂縫要求。

此結(jié)構(gòu)雖然為百萬機組，結(jié)構(gòu)長度已超過《土規(guī)》75m的限制，但是考慮溫度內(nèi)力進行抗裂驗算后，只需將底層框架梁的支座截斷負筋適當增加并貫通處理后，即可滿足抗裂要求。

[1]GB 50010－2002，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]．

[2]DL 5022－93，火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)規(guī)定[S]．

[3]王鐵夢．工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002．