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        分析火力發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)抗震性能

        2016-08-12 07:02:34肖元清四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司四川成都610041
        低碳世界 2016年13期
        關(guān)鍵詞:火力發(fā)電廠振型廠房

        肖元清(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司,四川 成都 610041)

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        分析火力發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)抗震性能

        肖元清(四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司,四川成都610041)

        鋼筋混凝土框排架結(jié)構(gòu)是我國(guó)火電廠主廠房常用的結(jié)構(gòu)形式,由于其質(zhì)量和剛度分布不均勻,為了保證電廠安全運(yùn)行,對(duì)火電廠主廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性地震響應(yīng)分析顯得尤為重要。以某實(shí)際工程為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)框架在幾種不同設(shè)計(jì)烈度情況下的計(jì)算分析,對(duì)執(zhí)行《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(以下簡(jiǎn)稱《土規(guī)》)中規(guī)定的8度地震情況下主廠房縱向結(jié)構(gòu)采用框架加抗震支撐或抗震墻的抗震措施的條文進(jìn)行了分析,提出:對(duì)小型火力發(fā)電廠,結(jié)合工程的具體情況和特點(diǎn),采用縱向框架自身抗震體系方案是比較合適的。本文對(duì)小型火力發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)的抗震性能提供一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),供設(shè)計(jì)者參考。

        火力發(fā)電廠;廠房結(jié)構(gòu);抗震性能評(píng)價(jià)

        引言

        目前火力發(fā)電廠主廠房的抗震設(shè)計(jì)已成為主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。由于地震是一種比較復(fù)雜的力學(xué)現(xiàn)象,到目前為止,我們對(duì)建(構(gòu))筑物的地震破壞機(jī)理還不十分清楚;對(duì)許多地震破壞現(xiàn)象還只停留在感性認(rèn)識(shí)階段;對(duì)所有地震荷載的計(jì)算和建(構(gòu))筑物抗震計(jì)算原理,都只能認(rèn)為是一種近似方法。目前一些規(guī)范及有關(guān)資料雖然提出了一些抗震設(shè)計(jì)的基本原則和對(duì)建(構(gòu))筑物的抗震措施,但仍是以大量的宏觀調(diào)查和對(duì)各類建(構(gòu))筑物震害分析的結(jié)果為基礎(chǔ)的。對(duì)于火力發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì),《土規(guī)》中作了一些明確的具體的規(guī)定,要求設(shè)計(jì)人員嚴(yán)格執(zhí)行。然而這些規(guī)定尚需隨著人們對(duì)廠房抗震性能問(wèn)題的探入認(rèn)識(shí)和設(shè)計(jì)實(shí)踐,不斷地修改完善,才能達(dá)到使設(shè)計(jì)技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的效果。

        1 對(duì)火力發(fā)電廠縱向結(jié)構(gòu)抗展措施選擇問(wèn)題的分析

        設(shè)計(jì)烈度進(jìn)入8度后,對(duì)于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、構(gòu)造都有了一些不同于7度設(shè)計(jì)烈度的特殊要求。不僅在荷載計(jì)算上水平地震力增大了,對(duì)于懸壁結(jié)構(gòu)、高柔結(jié)構(gòu)等還要考慮垂直地震荷載的作用。而且《土規(guī)》中規(guī)定,對(duì)于設(shè)計(jì)烈度為8度的主廠房的縱向結(jié)構(gòu),可采用鋼筋混凝土框架加抗震支撐的縱向結(jié)構(gòu)抗震措施方案。然而對(duì)于執(zhí)行這一規(guī)定,根據(jù)已完成的主廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程經(jīng)驗(yàn),筆者認(rèn)為,對(duì)于小機(jī)組的火力發(fā)電廠,特別是廠房柱距較少的擴(kuò)建主廠房結(jié)構(gòu),采用縱向框架自身抗震措施的方案是比較合適的。

        下面以某發(fā)電廠二期供熱工程主廠房設(shè)計(jì)加以討論:

        本工程是在某發(fā)電廠一期供熱工程的基礎(chǔ)上擴(kuò)建的,本期安裝一臺(tái)6千kW抽氣背壓式機(jī)組和一臺(tái)65t/h鍋爐,主廠房平面柱網(wǎng)布置見(jiàn)圖1。根據(jù)《土規(guī)》的規(guī)定,該主廠房各縱向柱列均采用了框架加抗震支撐的縱向結(jié)構(gòu)抗震措施。并根據(jù)抗震支撐應(yīng)布置在使結(jié)構(gòu)的剛度中心接近于質(zhì)量中心的原則和綜合工藝專業(yè)的要求等,將抗震支撐均布置在縱向結(jié)構(gòu)的端部柱間內(nèi)。

        圖1 主廠房平面柱網(wǎng)布置圖

        由于本工程主廠房縱向柱子少,這樣在縱向柱列兩端加上抗震支撐后,雖然滿足了《土規(guī)》的要求,但卻產(chǎn)生了一些不利的因素:

        (1)工藝上管道及設(shè)備的布置受限制,即管道從支撐位置處穿過(guò)時(shí),需考慮管道與支撐相碰的問(wèn)題。

        (2)對(duì)建筑物的造型設(shè)計(jì)有一定的影響。

        (3)建筑物的功能使用上受到影響。如除氧間和煤倉(cāng)間運(yùn)轉(zhuǎn)層的廠房橫向通道的布置受到很大的艱制,因兩端不能設(shè)門洞口,只能在中部柱間設(shè)置,使通道的布置不靈活,運(yùn)行不方便。

        (4)根據(jù)抗震的受力特點(diǎn),支撐所受的地震力應(yīng)保證直接傳給基礎(chǔ)。因此須在零米以下至柱基礎(chǔ)底面或頂面設(shè)計(jì)成板式的壓桿。這樣就給工藝地下溝、管道的布置及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的困難。因?yàn)閺S房縱向柱子間隔少,使廠房?jī)?nèi)溝、管道的走向和標(biāo)高受到很大艱制,有的溝道,如排水溝又必須在支撐下面通過(guò),這樣對(duì)結(jié)構(gòu)的處理是非常復(fù)雜和麻煩的。

        對(duì)于上述的一些問(wèn)題,雖然在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中采取了一些相應(yīng)的技術(shù)措施把它們解決了,但卻不夠合理。這就向我們提出了一個(gè)很實(shí)際的問(wèn)題,即對(duì)于這類小型火力發(fā)電廠的縱向結(jié)構(gòu)是否可優(yōu)先選擇縱向框架自身抗震措施而不加設(shè)抗震支撐或抗震墻呢?筆者以某發(fā)電廠二期供熱工程主廠房1/D軸框架為例(荷載較大的框架),對(duì)不同地震設(shè)計(jì)烈度的情況(即無(wú)地震、7度地震、8度地震、9度地震四種情況)進(jìn)行了計(jì)算分析??蚣苡?jì)算從略。

        現(xiàn)取計(jì)算結(jié)果中的典型節(jié)點(diǎn)(26號(hào)節(jié)點(diǎn))和柱(38號(hào)柱)內(nèi)力進(jìn)行分析,見(jiàn)表1~2。

        表1 26號(hào)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)位移分析表

        由表1~2看出:

        (1)位移。7度、8度時(shí)結(jié)構(gòu)總位移和相對(duì)位移均滿足允許值的要求,而進(jìn)入9度后,相對(duì)位移增大到1/156,超過(guò)允認(rèn)值1/300,此時(shí)結(jié)構(gòu)位移太大,已不安全。結(jié)構(gòu)層間相對(duì)位移均滿足要求;

        (2)柱內(nèi)力及配筋。從38號(hào)柱的計(jì)算結(jié)果看,7度、8度兩種情況下柱子的內(nèi)力不同,但柱端的最大配筋量相同,未出現(xiàn)8度時(shí)的配筋大于7度時(shí)配筋的情況。再看非地震情況的計(jì)算結(jié)果,在非地震情況下與7度、8度地震情況算得的配筋量均相同,這說(shuō)明柱子的配筋不受地震荷載控制。之后我們?cè)倏?度地震的情況,此時(shí)柱的內(nèi)力值增大很多,配筋量急劇增加,38號(hào)柱已處于地震力控制下。

        總之,從計(jì)算結(jié)果及分析看出,9度地震以上,在地震力的作用下結(jié)構(gòu)已不安全了,而8度地震以下均能滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與穩(wěn)定的要求。

        2 結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性分析

        在SAP2000中計(jì)算得到的鋼筋混凝土主廠房結(jié)構(gòu)的振型質(zhì)量參與系數(shù)見(jiàn)表3,由表3可知:

        表3 鋼筋混凝土主廠房的振型質(zhì)量參與系數(shù)

        (1)第1階振型為橫向平動(dòng),其橫向質(zhì)量參與系數(shù)為82%;

        (2)第2階振型為縱向平動(dòng),其縱向質(zhì)量參與系數(shù)為68%,存在一定程度的繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng);

        (3)第3階振型為繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng),縱橫向的質(zhì)量參與系數(shù)很小,這不代表該振型對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的貢獻(xiàn)也很小,相反,扭轉(zhuǎn)振型將給結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)帶來(lái)很不利的影響。

        3 罕遇地震下結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程分析

        3.1材料

        (1)鋼筋:采用Clough三線性模型如圖2所示??紤]包辛格效應(yīng),在循環(huán)過(guò)程中考慮了剛度退化,以此來(lái)模擬鋼筋與混凝土的聯(lián)結(jié)滑移效果。

        圖2 鋼筋的clough三線性模型

        (2)混凝土:采用混凝土單軸本構(gòu)模型與美國(guó)太平洋地震工程中心開發(fā)的OPENSEES中的concrete02模型相同,其受壓骨架線如圖3所示。

        圖3 混凝土骨架曲線

        3.2構(gòu)件損傷

        (1)構(gòu)件損傷程度不高,沒(méi)有構(gòu)件損傷達(dá)到較嚴(yán)重破壞階段,結(jié)構(gòu)構(gòu)件全部滿足極限承載力要求;

        (2)柱出現(xiàn)損傷的部位主要集中在底層、煤斗層和錯(cuò)層處,其他部位框架柱基本保持彈性。A列底部支撐壓屈,但對(duì)于對(duì)角支撐,即便一個(gè)支撐壓屈,仍有另外一個(gè)提供拉力,能夠?yàn)榭蚣芴峁┲巫饔谩3侵问芾策M(jìn)入塑性階段支撐才進(jìn)入失效狀態(tài),該結(jié)構(gòu)中支撐仍能發(fā)揮作用;

        (3)按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定,該結(jié)構(gòu)在7度半罕遇地震作用下的抗震性能可以達(dá)到第4水準(zhǔn),相應(yīng)于性能目標(biāo)3,整體結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力未明顯下降。

        采用ABAQUS計(jì)算了火力發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),并對(duì)結(jié)構(gòu)的主要抗震性能進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià),由于國(guó)內(nèi)鋼筋混凝土主廠房結(jié)構(gòu)的相似性和結(jié)構(gòu)模型的典型性,分析得到的結(jié)論對(duì)于國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的火電廠主廠房也具有一定的適用性。根據(jù)分析結(jié)果可以知道:

        (1)由于火電廠主廠房?jī)?nèi)部多錯(cuò)層,結(jié)構(gòu)局部樓層在地震作用下層間位移角有所突變,形成薄弱層,在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起重視,加強(qiáng)薄弱部位的抗震措施;

        (2)構(gòu)件損傷較嚴(yán)重的部位主要集中在底層、煤斗層和錯(cuò)層處,但損傷程度最大為中度損傷,均未超過(guò)構(gòu)件的最大承載力,在7度半罕遇地震作用下,大型火電廠主廠房結(jié)構(gòu)的整體抗震性能和各類構(gòu)件的抗震性能均滿足設(shè)計(jì)要求,能夠滿足規(guī)范“大震不倒”的要求。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        綜上所述,通過(guò)典型實(shí)例計(jì)算分析,可以看出,對(duì)于地震區(qū)小型火力發(fā)電廠主廠房結(jié)構(gòu),當(dāng)荷載相對(duì)較小,廠房的高度不太大時(shí),如果廠房縱向框架結(jié)構(gòu)計(jì)算屬于非地震力控制,或雖受地震力控制,但結(jié)構(gòu)的地震力計(jì)算又能滿足要求的情況,在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?,不采用框架加抗震支撐或抗震墻的方案,而?yōu)先采用框架自身抗震的方案是比較合適的。這樣即可避免由于抗震支撐或抗震墻給工藝和建筑結(jié)構(gòu)上帶來(lái)的不利因素,使我們電廠各專業(yè)的整體設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)合理。

        [1]宋遠(yuǎn)齊,汪小剛,溫彥鋒,等.大型火電廠主廠房框排架結(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程反應(yīng)分析[J].工業(yè)建筑,2015,40(1):51~54.

        [2]吳 濤,劉伯權(quán).大型火力發(fā)電廠鋼筋混凝土框排架主廠房平扭耦聯(lián)地震反應(yīng)分析[J].工業(yè)建筑,2014,34(11):26~29.

        [3]黃忠海,廖 耘,李盛勇,等.廣州珠江新城東塔罕遇地震作用彈塑性分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2012,33(11):82~90.

        肖元清(1980-),男,漢族,工程師,碩士研究生,主要從事電力行業(yè)設(shè)計(jì)、咨詢工作。

        TU352.1+1

        A

        2095-2066(2016)13-0012-02

        2016-4-10

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