王學(xué)民
(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司,杭州 310012)
先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想可以通過(guò)概念設(shè)計(jì)成分來(lái)展現(xiàn)[1]。大型火力發(fā)電廠是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,各個(gè)局部單獨(dú)進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果是形成的總體并不優(yōu)化。一個(gè)工程項(xiàng)目的優(yōu)化必須從大系統(tǒng)的全局進(jìn)行,才能達(dá)到真正的優(yōu)化效果,這就是工程系統(tǒng)全局優(yōu)化設(shè)計(jì)。
工程系統(tǒng)全局優(yōu)化的概念適用于工程項(xiàng)目全壽命的每一個(gè)階段,應(yīng)該在每個(gè)階段都進(jìn)行該階段的全局性?xún)?yōu)化,這就是工程全系統(tǒng)全壽命優(yōu)化。例如煙囪結(jié)構(gòu),不僅要考慮初期建設(shè)的費(fèi)用,還要考慮到將來(lái)的維修費(fèi)用;煤場(chǎng)的形式不僅要考慮初期建設(shè)的投入,還要考慮將來(lái)的運(yùn)行成本??梢?jiàn),結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),不僅僅是單純的配筋率問(wèn)題,配筋率最優(yōu)并不意味著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最優(yōu)。
廣義而言,土建結(jié)構(gòu)工程優(yōu)化有4個(gè)層次[1]:結(jié)構(gòu)功能的優(yōu)化、結(jié)構(gòu)選型的優(yōu)化、結(jié)構(gòu)設(shè)防荷載的優(yōu)化和設(shè)防荷載條件下的最小造價(jià)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該貫徹“功能合理、荷載取準(zhǔn),充分發(fā)揮材料強(qiáng)度”的設(shè)計(jì)原則,合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件,做到單體結(jié)構(gòu)的造價(jià)最優(yōu)。
結(jié)構(gòu)的功能對(duì)結(jié)構(gòu)的造價(jià)影響很大,功能過(guò)高會(huì)造成浪費(fèi),過(guò)低則會(huì)影響整個(gè)工程將來(lái)的運(yùn)行。例如,對(duì)大跨空間結(jié)構(gòu),最重要的是確定結(jié)構(gòu)所需覆蓋的空間尺寸;對(duì)棧橋結(jié)構(gòu)最重要的是確定各跨的跨度及荷載;對(duì)高聳結(jié)構(gòu)(煙囪)最重要的是確定它的高度和剛度,合理考慮其抗震性能[2]。對(duì)于輔助建筑,可以考慮多個(gè)建筑的合并建設(shè),這會(huì)影響到整個(gè)工程的造價(jià)。
在確定結(jié)構(gòu)的功能后再進(jìn)行選型優(yōu)化。例如大跨度空間結(jié)構(gòu)的煤棚,可采用多種類(lèi)型的結(jié)構(gòu)方案,如拱形結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、薄殼結(jié)構(gòu)和薄膜結(jié)構(gòu)等。對(duì)于棧橋,可選用梁式結(jié)構(gòu)、拱形結(jié)構(gòu)、懸索結(jié)構(gòu)和斜拉結(jié)構(gòu)等;對(duì)于煙囪,可選用鋼塔架結(jié)構(gòu)、混凝土圓筒結(jié)構(gòu)等;對(duì)于主廠房,可選用鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)等。
對(duì)于發(fā)電廠結(jié)構(gòu),荷載的選取關(guān)系到結(jié)構(gòu)的造價(jià)和安全性。由工藝專(zhuān)業(yè)提供的荷載,往往會(huì)不準(zhǔn)確從而影響到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
確定結(jié)構(gòu)的形式和荷載后,就可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析,合理布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件,做到單體結(jié)構(gòu)的造價(jià)最優(yōu)。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu),可應(yīng)用大型通用有限元軟件等來(lái)進(jìn)行計(jì)算分析[3]。
結(jié)構(gòu)的功能對(duì)其造價(jià)影響很大,傳統(tǒng)四列式主廠房具有荷載大,剛度、質(zhì)量分布不均勻,錯(cuò)層短柱多的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。這些問(wèn)題單從結(jié)構(gòu)的角度很難解決,只有與工藝布置結(jié)合才能設(shè)計(jì)出完美的結(jié)構(gòu)。為此,選定側(cè)煤倉(cāng)間的工藝布置方案,總體布置見(jiàn)圖1,將結(jié)構(gòu)體系分為2部分:汽機(jī)房消除了四列式布置的短柱、錯(cuò)層的結(jié)構(gòu)等不利因素;側(cè)煤倉(cāng)間結(jié)構(gòu)整齊,使得結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量分布均勻。
圖1 側(cè)煤倉(cāng)主廠房布置
影響汽機(jī)房結(jié)構(gòu)布置的主要因素是溫度,即2臺(tái)百萬(wàn)機(jī)組主廠房要設(shè)幾條溫度縫的問(wèn)題。溫度問(wèn)題長(zhǎng)期以來(lái)一直困擾著超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),雖然已作了大量研究,但至今沒(méi)有很好地解決。目前,越來(lái)越多的在建火力發(fā)電廠百萬(wàn)機(jī)組主廠房采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu),其主廠房每臺(tái)機(jī)組一般至少有9個(gè)跨度,長(zhǎng)度90 m左右。現(xiàn)行的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定:室內(nèi)現(xiàn)澆時(shí)框架結(jié)構(gòu)的最大適宜伸縮縫間距為55 m,當(dāng)有充分依據(jù)和可靠措施時(shí)可適當(dāng)增加間距。若設(shè)置伸縮縫則需采用雙柱,在增加工程造價(jià)的同時(shí)還給工藝布置帶來(lái)一系列問(wèn)題。此外,變形縫的設(shè)置還會(huì)增加建筑處理方面的難度。
有些工程采用2臺(tái)機(jī)組設(shè)2條伸縮縫,根據(jù)工藝布置最大程度地減小了結(jié)構(gòu)計(jì)算單元的長(zhǎng)度,但是2個(gè)計(jì)算單元還是超出了規(guī)范的長(zhǎng)度限制,并沒(méi)有完全解決溫度問(wèn)題。本文提出采用底層內(nèi)置伸縮縫的方法解決溫度問(wèn)題[4-5],具體做法見(jiàn)圖2。
荷載的選取關(guān)系到發(fā)電廠結(jié)構(gòu)的造價(jià)和安全性,采用三維設(shè)計(jì)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)的荷載傳導(dǎo)軟件,可以由工藝和土建聯(lián)合確定荷載的傳導(dǎo)形式,為發(fā)電廠結(jié)構(gòu)的合理優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了平臺(tái)。
側(cè)煤倉(cāng)間處于汽機(jī)房、鍋爐房、電除塵支架和煙囪組成的圍合空間內(nèi),如圖3所示。側(cè)煤倉(cāng)間鍋爐方向的風(fēng)荷載考慮到鍋爐的遮擋作用,其風(fēng)壓高度變化系數(shù)應(yīng)予以折減,參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中對(duì)于山間盆地、谷地等閉塞地形風(fēng)壓高度變化系數(shù)折減的規(guī)定[4],取修正系數(shù)η=0.75~0.85。
圖2 底層單柱伸縮縫做法
圖3 側(cè)煤倉(cāng)間所處空間位置
考慮到鍋爐并非完全封閉,選用修正系數(shù)0.85,其作用等于將風(fēng)荷載減小了15%。
汽機(jī)房與鍋爐房?jī)艟嚯x滿(mǎn)足抗震縫要求,2個(gè)建筑物基本合并。確定汽機(jī)房橫向風(fēng)荷載體形系數(shù)時(shí),應(yīng)與鍋爐整體考慮??紤]到鍋爐并非完全封閉,將重疊部分風(fēng)荷載折減0.7,相當(dāng)于總體風(fēng)荷載體形系數(shù)由1.3變?yōu)?.95,減小了27%。
以上分析是研究性分析,不能直接用于施工圖設(shè)計(jì)。施工圖設(shè)計(jì)時(shí)要考慮風(fēng)荷載折減,要進(jìn)行更仔細(xì)的分析,必要時(shí)需進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。
當(dāng)天然地基承載力不足時(shí),發(fā)電廠大量使用樁基處理,樁基的優(yōu)化一方面可通過(guò)合理的計(jì)算[9],另一方面可通過(guò)提高樁基的承載力來(lái)完成。
對(duì)于灌注樁,樁身承載力由鋼筋承載力和混凝土承載力兩部分組成[6-7],對(duì)樁頂5倍直徑范圍內(nèi)加密箍筋,以增加縱向配筋強(qiáng)度。若按HRB335級(jí)鋼筋考慮,取配筋率為0.65%,對(duì)于直徑800 mm灌注樁,考慮鋼筋承載力可提高承載力14%;如果采用HRB400級(jí)鋼筋,將進(jìn)一步提高承載力20%。
對(duì)于由樁身強(qiáng)度控制承載力的樁基,比如嵌巖樁,考慮到嵌巖費(fèi)用和工時(shí)較多,設(shè)計(jì)應(yīng)考慮充分發(fā)揮基巖和樁身材料的性能,做到樁身抗壓強(qiáng)度與巖土側(cè)阻端總承載力匹配,樁身混凝土強(qiáng)度不宜低于C40[8]。
根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求:水下灌注混凝土的樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)不宜高于C40。在混凝土各項(xiàng)性能有保障的前提下,可將澆筑混凝土強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到C45[7]。
通常發(fā)電廠灌注樁都采用C30混凝土。在鹽漬土地區(qū)的一些工程中,用C40灌注樁能提高樁身的耐腐蝕性[10-11]。一些大型公用建筑[20]和橋墩樁基[12]也采用了C40混凝土灌注樁。與C30混凝土的灌注樁相比,樁身采用C40混凝土,不僅可以提高樁身的耐久性,同時(shí)還可提高了33%的樁基承載力。
傳統(tǒng)的碎煤機(jī)基礎(chǔ)采用彈簧隔振基礎(chǔ),直接布置在大梁上,四周用變形縫與樓板隔開(kāi),如圖4所示。樓板上需開(kāi)設(shè)很大的洞口,主體結(jié)構(gòu)的框架梁不能拉通,結(jié)構(gòu)上需要用牛腿支承大梁來(lái)承擔(dān)隔振平臺(tái),局部出現(xiàn)短柱及復(fù)雜的梁系,承重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜。
圖4 碎煤機(jī)隔振平臺(tái)優(yōu)化
基于傳統(tǒng)隔振方式的缺點(diǎn),與工藝專(zhuān)業(yè)配合對(duì)隔振平臺(tái)進(jìn)行簡(jiǎn)單改進(jìn),將隔振平臺(tái)上移至運(yùn)轉(zhuǎn)層之上。這樣,主體框架梁可以拉通,隔振平臺(tái)的荷載直接傳給主體框架梁柱,受力簡(jiǎn)單明確。該方法目前已應(yīng)用于印尼蘇納拉亞等多個(gè)發(fā)電廠的實(shí)際工程中。
輸煤棧橋支架部分考慮以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主,支架橫向根據(jù)棧橋高度,必要時(shí)設(shè)橫向短肢;縱向地震水平力一般通過(guò)棧橋底端設(shè)置來(lái)承擔(dān)。棧橋橋面部分跨度較小時(shí)采用現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu),跨度較大時(shí)采用鋼桁架。棧橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理考慮風(fēng)荷載的作用[13]。抗震地區(qū)的棧橋,應(yīng)注意其與周邊轉(zhuǎn)運(yùn)站的連接構(gòu)造[14]。棧橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化重點(diǎn)是縱向桁架結(jié)構(gòu),可考慮采用以下思路:
(1)縱向采用連續(xù)桁架[15]。計(jì)算分析表明,棧橋縱向采用24 m連續(xù)桁架經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu),與單跨分離式桁架相比,節(jié)約鋼材20%以上。其缺點(diǎn)是施工困難。
(2)常規(guī)角鋼桁架由于采用大量的節(jié)點(diǎn)板,鋼材有較大的浪費(fèi)。計(jì)算表明,單跨桁架采用H型鋼無(wú)節(jié)點(diǎn)板桁架比有節(jié)點(diǎn)板桁架節(jié)約鋼材20%。縱向上下弦桿采用H型鋼無(wú)節(jié)點(diǎn)板桁架[16-20]。
(3)縱向桁架采用下沉式三角桁架。桿件均采用鋼管,不設(shè)節(jié)點(diǎn)板。分析表明,與常規(guī)單跨桁架相比,可節(jié)約鋼材20%。
(4)支承鋼筋混凝土框架有條件采用下大上小的梯形,更加經(jīng)濟(jì)合理。
常見(jiàn)的干灰?guī)焓卿摻罨炷镣矀}(cāng)結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)灰層筒壁混凝土水平抗拉,配筋以裂縫控制,不能充分發(fā)揮材料強(qiáng)度。針對(duì)干灰?guī)旖Y(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),儲(chǔ)灰層筒壁采用鋼板結(jié)構(gòu)。按常規(guī)灰?guī)靷?cè)壁內(nèi)外22@100的水平方向配筋,不計(jì)豎向鋼筋,僅水平鋼筋折算鋼板厚度為7.59 mm,估算采用鋼板后鋼材強(qiáng)度仍有富余,除節(jié)省混凝土外,還可節(jié)省鋼材。
目前,發(fā)電廠綜合管架常用的結(jié)構(gòu)型式有:雙向鋼結(jié)構(gòu),縱橫向鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)及橫向鋼筋混凝土框架、縱向鋼梁結(jié)構(gòu)。
各型式都存在各自的缺點(diǎn):雙向鋼結(jié)構(gòu)的造價(jià)過(guò)高;縱橫向鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工相對(duì)困難,工期較長(zhǎng);橫向鋼筋混凝土框架、縱向鋼梁結(jié)構(gòu),這是最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式,但其不足在于混凝土框架的材料強(qiáng)度往往不能充分發(fā)揮,框架柱多采用構(gòu)造配筋,縱向鋼梁受彎,一些情況下是撓度控制,鋼材強(qiáng)度未能充分發(fā)揮。
綜合管架橫向鋼筋混凝土框架縱向鋼結(jié)構(gòu),關(guān)鍵在于優(yōu)化縱向鋼結(jié)構(gòu)。如圖5所示,可考慮以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施:
圖5 綜合管架優(yōu)化措施示意
(1)增大跨度,用足柱的軸壓比,并綜合考慮用足地基基礎(chǔ)的承載力。充分發(fā)揮鋼筋混凝土框架的材料強(qiáng)度。
(2)采用縱向鋼桁架,充分發(fā)揮鋼材的高強(qiáng)度;與縱向鋼梁相比,可節(jié)約鋼材10%。
(3)縱向采用鋼拉桿結(jié)構(gòu),充分發(fā)揮鋼材的抗拉強(qiáng)度。與縱向鋼桁架相比,可節(jié)約鋼材10%。
根據(jù)全壽命整體優(yōu)化設(shè)計(jì)概念,貫徹最優(yōu)設(shè)防荷載下的最小造價(jià)設(shè)計(jì)理念,力圖充分發(fā)揮材料強(qiáng)度。文中對(duì)火力發(fā)電廠主廠房及全場(chǎng)主要土建結(jié)構(gòu)進(jìn)行了概念性?xún)?yōu)化分析,結(jié)果表明:采用C40混凝土灌注樁,節(jié)約全廠樁基費(fèi)用33%;綜合管架采用橫向鋼筋混凝土縱向鋼拉桿結(jié)構(gòu),與傳統(tǒng)縱向鋼梁結(jié)構(gòu)相比節(jié)約鋼材20%;干灰?guī)旆治隽藗鹘y(tǒng)結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)灰層鋼板結(jié)構(gòu),從節(jié)約材料的角度鋼板結(jié)構(gòu)最優(yōu),從節(jié)約投資角度,傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)最優(yōu);輸煤棧橋采用下沉式三角鋼管桁架,與傳統(tǒng)桁架相比,節(jié)約鋼材20%;對(duì)碎煤機(jī)室的隔振臺(tái)座布置進(jìn)行了革新,新的結(jié)構(gòu)形式的主體結(jié)構(gòu)受理合理,且更加經(jīng)濟(jì)。