USA Code-based Optimization Design for the Main Building of A Steel-structured Power Plant

李明1，趙強2，馬占雄2，何鎧岐2（1湖北省電力勘測設(shè)計院，湖北武漢　430040；2重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶　400045）

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依據(jù)美國規(guī)范的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)電主廠房優(yōu)化設(shè)計實例

USA Code-based Optimization Design for the Main Building of A Steel-structured Power Plant

李明1，趙強2，馬占雄2，何鎧岐2
（1湖北省電力勘測設(shè)計院，湖北武漢430040；2重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400045）

摘要：近年來，涉外電力工程項目日益增多。對工程設(shè)計企業(yè)而言，目前多數(shù)涉外工程項目均要求采用美國的標準、規(guī)范進行設(shè)計，而要讓國內(nèi)的設(shè)計人員掌握并熟練應(yīng)用國外規(guī)范進行設(shè)計則需要一個過程。為解決這一問題，該文在前期研究的基礎(chǔ)上，提出了一種操作性比較強的優(yōu)化方案。以某火力發(fā)電廠的鋼結(jié)構(gòu)主廠房為實例，采用提出的優(yōu)化方案對該廠房結(jié)構(gòu)按照美國規(guī)范進行了優(yōu)化設(shè)計。對比優(yōu)化前后的用鋼量，表明提出的優(yōu)化方案可行，具有較好的經(jīng)濟效益，可為同類鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計提供參考。

Abstract:In recent years，overseas electricity projects is steadily increasing. For engineering design enterprises，the design of most of these oversea projects calls for American standard and regulations, whose master and application by Chinese designers are a long period. To cope with this problem, this paper, based on previous studies, presents an optimized solution with excellent operability. Exampled by the main building of a steel-structured power plant, it shows how American codes in the optimized solution are applied in building structure. The steel amount before and after optimization proves the feasibility of the optimized solution, with obvious economic benefits. It can offer some references for similar cases.

Keywords:main building of power plant; steel structure; USA code; P-M stress ratio; design

0　前言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國電力工業(yè)也取得了高速增長。據(jù)2011年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)[1]，中國現(xiàn)役發(fā)電機組總裝機容量中火電占72.50%，水電占21.83%，其他發(fā)電方式占比5.67%。火力發(fā)電仍然是中國主要的發(fā)電方式，是電力生產(chǎn)的主力軍。雖然如此，但由于新能源發(fā)電在我國發(fā)電總量中所占比重日益提高，以及新能源發(fā)電良好的發(fā)展趨勢，使得傳統(tǒng)的火力發(fā)電行業(yè)不僅面臨著因煤炭資源減少或者枯竭引起的資源方面的壓力，而且還面臨著因環(huán)境保護需求導(dǎo)致的技術(shù)改進方面的壓力。

與此同時，隨著國家能源發(fā)展規(guī)劃和電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，國內(nèi)電力建設(shè)、設(shè)計市場進一步趨于飽和、行業(yè)內(nèi)競爭日益激烈。國內(nèi)電力建設(shè)、設(shè)計企業(yè)為應(yīng)對這種不利局面并響應(yīng)國家“走出去”的戰(zhàn)略部署，近年來開始大力拓展國外電力市場。

涉外電力工程建設(shè)項目日益增多，對我國電力建設(shè)、設(shè)計企業(yè)的國際接軌能力和效率提出了較高的要求。就工程設(shè)計企業(yè)而言，目前多數(shù)涉外工程項目普遍要求采用美國的標準、規(guī)范進行設(shè)計建設(shè)，而要讓國內(nèi)的設(shè)計人員掌握并熟練應(yīng)用國外規(guī)范進行設(shè)計則需要一個逐步提高的過程，為保證工程設(shè)計進度和效率，國內(nèi)設(shè)計企業(yè)常采用變通的辦法，即先按照中國相關(guān)的規(guī)范進行初步設(shè)計，然后根據(jù)美國的標準、規(guī)范采取相應(yīng)的設(shè)計措施和進行必要的設(shè)計校核（驗算）。這種方法雖能提高結(jié)構(gòu)設(shè)計效率，但設(shè)計的結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性較差，建筑材料不能得到充分利用。

為解決這一問題，本文在前期研究的基礎(chǔ)上，提出了一種操作性較強的優(yōu)化方案。以某火力發(fā)電廠的鋼結(jié)構(gòu)主廠房為實例，采用提出的優(yōu)化方案對該廠房結(jié)構(gòu)按照美國規(guī)范進行了優(yōu)化設(shè)計。對比優(yōu)化前后的指標，表明提出的優(yōu)化方案可行，具有較好的經(jīng)濟效益，可為同類鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計提供參考。

1　鋼結(jié)構(gòu)主廠房概況

圖1　主廠房空間模型

如圖1所示為菲律賓某火力發(fā)電廠的鋼結(jié)構(gòu)主廠房的空間模型，該結(jié)構(gòu)是參照中國規(guī)范進行設(shè)計[2]。設(shè)計條件為：工程設(shè)計使用年限為50年，建筑結(jié)構(gòu)安全等級為二級，乙類抗震設(shè)防，抗震設(shè)防烈度相當于中國規(guī)范的9度（設(shè)計基本地震加速度0.4g），設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅲ類，抗震等級為一級，鋼材采用Q345B等級。圖2是鋼結(jié)構(gòu)主廠房的平面圖，根據(jù)工藝設(shè)計的需求，廠房整體結(jié)構(gòu)主要由兩部分構(gòu)成：跨度33.2m、長度80m、高度26.3m的單層大空間結(jié)構(gòu)部分和跨度13.5m、長度110m的六層（局部七層）鋼框架部分。

圖2　主廠房結(jié)構(gòu)平面圖

構(gòu)件截面在受到彎矩和軸力作用后，截面會產(chǎn)生彎曲應(yīng)力和軸向應(yīng)力。構(gòu)件截面彎曲應(yīng)力和軸向應(yīng)力的值的疊加與截面材料所能承受的最大的應(yīng)力的比值，稱為P-M應(yīng)力比。應(yīng)力比大于1的情況下，表示構(gòu)件不足以承受這種情況下的外力，必須修改設(shè)計。小于1的情況下構(gòu)件的承載力能夠滿足要求，一般設(shè)計都要求使P-M應(yīng)力比小于0.85。圖3為主廠房結(jié)構(gòu)在美國規(guī)范AISC360-10驗算下的構(gòu)件P-M應(yīng)力比圖，從圖3中可以看出：大部分構(gòu)件的P-M應(yīng)力比小于0.5，即承載力還有較大的富余，只有少數(shù)幾根構(gòu)件的P-M在0.85左右。因此，該鋼結(jié)構(gòu)廠房模型在美國規(guī)范的驗算下，還有較大的優(yōu)化空間。

圖3　主廠房在美國規(guī)范下的P-M應(yīng)力比

2　主廠房優(yōu)化方案

根據(jù)以往的優(yōu)化工程經(jīng)驗[3]，確定了優(yōu)化流程圖（如圖4）及優(yōu)化思路：通過對比結(jié)構(gòu)抗側(cè)構(gòu)件的剛度比選擇優(yōu)化方案，根據(jù)每層支撐、柱的不同等效抗側(cè)剛度比選擇如下不同的優(yōu)化方案：

（1）當支撐剛度遠大于柱子剛度時，控制75%的支撐構(gòu)件軸壓比低于0.2，能夠滿足美國規(guī)范的驗算要求。

（2）當柱子剛度遠大于支撐剛度時，控制80%的柱構(gòu)件塑性強度低于0.1，能夠滿足美國規(guī)范的驗算要求。

（3）當支撐和柱子剛度相近時，控制底層75%支撐軸壓比小于0.2，80%柱塑性強度低于0.05，能夠滿足美國規(guī)范的驗算要求。

柱截面塑性強度的大小，是用來判斷其進入塑性程度的量化指標。優(yōu)化方案中柱構(gòu)件的塑性強度的計算是根據(jù)FEMA356中5-6公式[4]，柱截面塑性強度的計算公式可以表示為：

式（1）中α為塑性強度，my=My/Myp（強軸），mz=Mz/Mzp（弱軸），p= P/Py，當α=1.0時表示全截面屈服。其屈服面如圖5所示。

圖4　優(yōu)化流程

圖5　FEMA356屈服面

3　廠房優(yōu)化結(jié)果

表1列出了按照圖4的優(yōu)化流程優(yōu)化之后鋼結(jié)構(gòu)主廠房的主要構(gòu)件的截面變化。

如圖6所示，優(yōu)化后的大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件的P-M應(yīng)力比都處于0.7到0.9之間。在保證滿足美國規(guī)范要求的前提下[5]，又比較接近規(guī)范的限值，這樣就避免了原來模型的較大的安全富余而導(dǎo)致的材料浪費。

原模型用鋼量為5300t，優(yōu)化模型的用鋼量為4831t。優(yōu)化效果明顯，節(jié)省了近470t鋼材。

圖6　優(yōu)化后鋼結(jié)構(gòu)主廠房P-M應(yīng)力比

4　結(jié)論

本文對參照中國規(guī)范設(shè)計的菲律賓某鋼結(jié)構(gòu)發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)，根據(jù)柱子和支撐的相對抗側(cè)剛度的不同而采取控制軸壓比和塑性強度的方法對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化后降低了470t鋼材，取得了較好的經(jīng)濟效益。根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，本文所提出的優(yōu)化方法具有普遍性。鑒于篇幅的限制，本文只列出了一個鋼結(jié)構(gòu)發(fā)電主廠房優(yōu)化設(shè)計的實例，可為同類鋼結(jié)構(gòu)廠房的設(shè)計提供參考。

參考文獻：

[1] Forward.China Thermal Power Industry Analysis Report，Investment Forecast and Demand of Production and Sale[EB/OL]. [2014 -04 -24].http://en.qianzhan.com/report/detail/b05944e965db4f6b.html.

[2] GB50017—2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社，2003.

[3]李云浩.鋼結(jié)構(gòu)發(fā)電廠房抗震性能評估[D].重慶：重慶大學(xué)，2015.

[4] FEMA356.Pre－Standardand Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings［S］.Report FEMA356，F(xiàn)ederal Emergency Management Agency，Washington DC，2000．

[5] AISC 360-10 .Specification for structural steel buildings[S]. Chicago: AISC，2010.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

本埠

重慶主城“最復(fù)雜立交”黃桷灣立交年內(nèi)建成

近日，重慶黃桷灣立交匝道瀝青鋪設(shè)全部完成，進入最后的收尾階段。作為主城最大最復(fù)雜的立交，黃桷灣立交是連接朝天門大橋、慈母山隧道、內(nèi)環(huán)高速、機場專用快速路的重要節(jié)點。該立交共五層15條匝道，第一層是連接朝天門大橋與慈母山隧道的“三橫線”快速干道，第二層是機場專用高速匝道，第三、四層分布著各條匝道，最底層是彈子石至廣陽島道路。黃桷灣立交預(yù)計年內(nèi)全面建成，屆時，主城區(qū)南部交通網(wǎng)絡(luò)將得到很大的改善。

（摘自：華龍網(wǎng)）

作者簡介：李明（1978—），男，湖北武漢人，本科，高級工程師，主要從建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。

收稿日期：2015-11-14

doi：10.3969／j.issn.1671-9107.2016.03.018

中圖分類號：TU3

文獻標識碼：A

文章編號：1671-9107（2016）03-0018-03

關(guān)鍵字：發(fā)電廠主廠房；鋼結(jié)構(gòu)；美國規(guī)范；P-M應(yīng)力比；設(shè)計